Генератор переменного тока: устройство, принцип работы, назначение. Как работает электрогенератор Эффект электромагнитной индукции

Генерирование собственного электричества – лучшее, что вы можете сделать в борьбе за энергонезависимость. Это электричество вы можете использовать чтобы открывать ворота или гараж, включать наружное освещение, продавать в сеть и уменьшить свои расходы, заряжать автомобиль или даже полностью отключиться от общей сети. В этой статье описаны несколько отличных идей как этого добиться.

Шаги

Часть 1

Солнечная энергия

Узнайте о солнечных панелях. Солнечные панели это общераспространенное решение с большим количеством преимуществ. Они работают во многих частях света и модульный вариант может быть расширен, чтобы соответствовать вашим потребностям. Существует много хорошо проработанных продуктов.

• Панели должны быть направлены на юг к солнечному свету (на север в южном полушарии, вверх вблизи экватора). Угол наклона следует установить в зависимости от широты, на которой вы находитесь. Вы можете использовать панели в районах, которые солнечны большую часть года, а также в условиях сплошной облачности.
• Фиксированные опоры можно устанавливать на отдельной структуре (в которой можно разместить аккумуляторы и контроллер заряда) или на существующей крыше. Их просто установить и обслуживать, если они расположены у земли и у них нет движущихся частей. Следящие опоры поворачиваются вслед за солнцем и более эффективны, но могут стоить дороже, чем просто добавить еще пару панелей на фиксированных опорах, чтобы компенсировать разницу. Это хитроумные механические приспособления, которые легко сломать и у них есть движущие части, которые изнашиваются со временем.
• Только потому, что заявленная мощность солнечной панели 100 Ватт, это не означает, что она способна вырабатывать ее все время. Мощность будет определена тем как вы установите панель, погодой, или тем что сейчас зима и солнце не поднимается высоко надо горизонтом.

1. Начните с малого. Купите одну или две солнечные панели для начала. Их можно устанавливать поэтапно, так что вам не надо с самого начала тратить огромные суммы. Большинство систем для крыш могут быть расширены – вам надо обратить на это внимание при покупке. Купите систему, которая может расти вместе с вашими потребностями.

   Разберитесь с обслуживанием вашей системы. Как и все остальное, если вы не будете о ней заботиться, она развалится. Определитесь, как долго она должна прослужить. Небольшая экономия сейчас может стоить вам гораздо больше в будущем. Инвестируйте в заботу о вашей системе и она позаботится о вас.

   • Постарайтесь составить бюджет расходов, связанных с поддержанием работоспособности системы в течение длительного периода времени. Вам следует избегать ситуаций, которые оставят вас без средств посреди проекта.

2. Выберите тип системы. Решите, хотите ли вы отдельностоящее решение для выработки электричества или решение, которое можно подсоединить к распределительной системе. Отдельностоящим системам нет равных в автономности, вам известен источник каждого использованного ватта. Системы, которые можно подключать в общую сеть дают вам стабильность и избыточность, а также возможность перепродавать электричество поставляющей компании. Если ваша система подключена в общую сеть, а вы следите за расходом энергии так, как будто у вас автономная система, то у вас даже получится зарабатывать небольшой дополнительный доход.

   • Свяжитесь с вашей энергопоставляющей компанией и спросите о системах, которые можно подключать в общую сеть. Возможно, они смогут предоставить льготы и подскажут, кого следует нанять, чтобы разместить ваш надежный источник электричества.

Часть 2

Использование альтернативных систем

1. Узнайте о ветряных турбинах. Это тоже отличное решение для многих районов. Иногда оно может быть даже более экономически эффективным, чем солнечная энергия.

   • Вы можете использовать самодельную ветряную турбину, сделанную из старого автомобильного генератора при помощи чертежей доступных в Сети. Хоть это и не рекомендуется делать новичкам, но достижение приемлемых результатов возможно. Существуют недорогие готовые решения.
   • У ветровой энергии, однако, есть несколько недостатков. Возможно, вам придется установить турбины слишком высоко, чтобы они работали эффективно, и ваши соседи посчитают их неприятной частью пейзажа. Птицы могут их совсем не замечать ….. до момента, когда будет слишком поздно.
   • Для ветровой энергии нужен более-менее постоянный ветер. Открытые, пустые пространства подходят лучше всего, потому что на них находится минимальное количество препятствий для ветра. Ветровая энергия часто эффективна при использовании в качестве дополнения к системам солнечной и гидро энергии.

   • Изучите гидроэлектрические минигенераторы. Существуют различные виды технических решений от самодельного пропеллера, подсоединенного к автомобильному генератору, до запутанных инженерных систем повышенной надежности. Если у вас есть выход к воде, это может стать эффективным и автономным решением.

     Попробуйте комбинированную систему. Вы всегда можете объединить любые из этих систем, чтобы получать энергию круглый год и в достаточном количестве для вашего дома.

     Подумайте об автономном генераторе. Если распределяющей сети нет или вы хотите запасной источник на случай отключения/катастрофы, вам может пригодиться генератор. Они могут работать на разных видах топлива и доступны разных размеров и мощности.

     • Многие генераторы очень медленно реагируют на изменения в нагрузке (подключение мощных приборов заставляет питание колебаться).
       • Маленькие, повсеместно доступные в строительных магазинах генераторы предназначены для нечастого использования в чрезвычайных ситуациях. Если их использовать в качестве основного источника энергии они чаще всего ломаются.
     • Большие бытовые генераторы стоят дорого. Они работают на бензине, дизельном топливе или сжиженном газе и обычно оснащены системой автоматического старта, которая запускает их в момент прекращения подачи электричества из распределительной сети. Если вы решили установить такой, убедитесь, что у вас работает дипломированный электрик и строительные нормы соблюдаются. При неправильной установке он может убить электриков, которые отключают основное электропитание не зная, что есть еще и аварийный генератор.
     • Генераторы для автодач, трейлеров или лодок небольшого размера, тихие, предназначены для продолжительного использования и гораздо более доступны. Они работают на бензине, дизельном топливе или сжиженном газе и могут работать по нескольку часов в день в течение нескольких лет.

   • Избегайте теплоэлектрогенераторов. Теплоэлектрогенераторы (ТЭГ) или совмещенные генераторы, которые производят электроэнергию из тепла – обычно пара – старомодны и неэффективны. Несмотря на то, что у них есть много поклонников, вам следует воздержаться от их использования.

Часть 3

Делаем верный выбор

Пройдитесь по магазинам. Множество производителей предлагают различные товары и услуги на рынке экологически чистой электроэнергии и некоторые из их решений подходят вам лучше, чем другие.

Исследуйте. Если вы заинтересованы в конкретном товаре проведите сравнение цен перед тем как будете говорит с поставщиком.

Спросите совета у профессионала. Найдите кого-то кому вы доверяете, чтобы помог принять вам решение. Есть поставщики, которым интересен ваш проект, и есть которым не интересен. Найдите в Интернете сообщество домашних мастеров или ему подобное чтобы получить совет, который исходит от кого-то, кто не собирается вам ничего продавать.

Разузнайте о льготах. Не забудьте узнать о местных, региональных и федеральных программах льгот, когда будете делать свои покупки. Существует много программ по которым ваши затраты по монтажу могут быть просубсидированы, либо же вам предоставят налоговые льготы за переход на экологически чистую электроэнергию.

Вам нужна квалифицированная помощь. Не каждый подрядчик или рабочий квалифицирован для установки таких систем. Работайте только с опытными поставщиками и монтажниками, у которых есть разрешение на работу с вашим оборудованием.

Часть 4

Готовимся к худшему

Узнайте о страховым покрытии для более крупных объектов. Ваш текущий полис на домовладение может не покрывать разрушение вашей системы при катастрофе, что может очень сильно вас разочаровать.

Познакомьтесь со специалистом по обслуживанию систем альтернативной энергии. Если уж вы за это взялись, не стесняйтесь просить о помощи.

Спланируйте запасной источник энергии. Естественные источники, которые используют автономные энергетические системы не всегда надежны. Солнце светит не всегда, как и ветер не всегда дует, вода тоже не всегда течет.

• Использование системы подключенной в распределительную сеть - самое недорогое решение для большинства людей, особенно для тех, кто уже является клиентом энергопоставляющих компаний. Они устанавливают один тип системы (например, солнечные панели) и подключают ее к распределительной сети. Когда поступление электроэнергии недостаточно, сеть покрывает недостаток, а когда электроэнергии в избытке – сеть выкупает излишек. Крупные системы могут постоянно крутить счетчик электроэнергии в обратную сторону.
• Если распределительной сети по близости нет, может быть гораздо дороже подключиться к ней (или даже подсоединить пристройку к дому), чем производить и хранить свою собственную электроэнергию.

1. Узнайте о хранении электричества. Распространенное решение для автономного хранения электричества это свинцово-кислотные аккумуляторы глубокой зарядки. Каждый вид аккумуляторов нуждается в разных циклах зарядки, поэтому убедитесь, что ваш контроллер заряда может работать с вашим типом аккумуляторов и правильно для этого настроен.

Часть 5

Выбор и использование аккумуляторов

Используйте аккумуляторы одного типа. Аккумуляторы нельзя мешать между собой и обычно новые аккумуляторы не очень хорошо работают, когда смешаны с более старыми.

Подсчитайте сколько аккумуляторов вам понадобится. Их емкость исчисляется в ампер-часах. Для грубого подсчета киловатт-часов умножьте ампер-часы на количество вольт (12 или 24 вольта) и разделите на 1000. Чтобы получить ампер-часы из киловатт-часов просто умножьте на 1000 и разделите на 12. Если ваше дневное потребление будет 1 киловатт-час вам понадобится примерно 83 ампера емкости 12-вольтового хранилища, но вам надо будет 5-кратное количество от рассчитанного (считая, что вы не хотите разряжать аккумуляторы более чем на 20%) или примерно 400 ампер-часов, чтобы получить требуемую мощностью.

1. Выберите тип аккумулятора. Существует много видов аккумуляторов и очень важно выбрать наиболее подходящий. Понимание что вам пойдет, а что нет, очень важно для снабжения вашего дома электроэнергией.

   • Самые распространенные это кислотные аккумуляторы. Их необходимо обслуживать (верхушки снимаются, чтобы можно было долить дистиллированной воды) и время от времени они нуждаются в «компенсационной» перезарядке, чтобы убрать серу с пластин и поддерживать банки в более-менее одинаковом состоянии. У некоторых высококачественных аккумуляторов банки в 2,2 вольта можно заменять независимо от других, если они испортились. «Необслуживаемые» аккумуляторы теряют жидкость по мере выпускания газа и, в конце концов, высыхают.
   • Гелиевые аккумуляторы не надо обслуживать и они не прощают проблем с зарядкой. Зарядное устройство, предназначенное для кислотных аккумуляторов, испарит гель с пластин и между электролитом и пластинами образуются зазоры. Как только одна банка пришла в состояние перезаряда (из-за неравномерного износа), весь аккумулятор становится негодным. Такие аккумуляторы хороши как часть небольшой системы, но не подходят для крупных систем.
   • Аккумуляторы с абсорбированным электролитом более дорогие, чем аккумуляторы любого другого типа, и не нуждаются в обслуживании. Они сохраняют работоспособность на протяжении долгого времени при условии, что их правильно заряжают и не позволяют слишком сильно разряжаться. Кроме того, они не могут дать протечку – даже если вы разобьете их кувалдой (мы правда не уверены, зачем вам это вообще может понадобиться). При перезаряде также они выпускают газ.
   • Автомобильные аккумуляторы – они для автомобилей. Автомобильные аккумуляторы не подходят для случаев, в которых требуются аккумуляторы глубокой зарядки.
   • Лодочные аккумуляторы это гибрид стартового аккумулятора и аккумулятора глубокой зарядки. В качестве компромиссного решения они хорошо подходят для лодок, но не очень хороши в качестве источника электроэнергии для дома.
2. Советы
   • В любом месте, где энергетические системы не подведены прямо к крыльцу, стоимость подключения нового строения к распределительной сети может превысить стоимость установки собственной системы генерирования электроэнергии.
   • Аккумулятор глубокого заряда не работают хорошо, если они часто разряжаются более чем на 20% своей емкости. Если такое происходит, их срок службы существенно уменьшится. Если вы большую часть времени разряжаете их не сильно или сильно, но не часто, их срок службы будет продлен.
   • Существует много возможностей профинансировать установку системы, а также налоговых/эксплуатационных льгот для некоторых источников электроэнергии.
   • Возможно объединиться с соседями по удаленному району и совместно оплатить систему генерации электроэнергии. О чем бы ни договорились заинтересованные стороны, в будущем это может стать источником некоторых сложностей. Возможно, придется создать кооператив домовладельцев или подобную организацию.
   • Если это не оправдывает себя в рублях и копейках оправдает ли это себя в:
     • Срочной необходимости (отсутствие систем обеспечения электроэнергией)?
     • Внутреннее спокойствие?
     • Кабель не проходит по вашей собственности?
     • Как повод для хвастовства?
   • В Сети есть много статей с большим количеством хорошей информации, но большая часть из нее сосредоточена на продаже оборудования определенного поставщика.
   • Если у вас есть доступ к проточной воде, микро-гидроэлектростанция возможно подойдет лучше, чем комбинированное решение из солнечных панелей и ветровых турбин.
   • Сборка элементов системы не является сложной задачей при условии, что вы умеете обращаться с электричеством.

   Предупреждения

   • Если вы не знакомы с теорией электричества и у вас нет познаний в технике безопасности, считайте что это список вещей, которые вам надо узнать или передать другому человеку для выполнения.
     • Вы можете нанести непоправимый урон собственности (сжечь проводку, повредить крышу или сжечь дом дотла)
     • Вы можете причинить телесные повреждения или даже смерть (удар электрическим током, падение с крыши, падение незакрепленных деталей на людей)
     • Аккумуляторы при коротком замыкании или в невентилируемом помещении могут стать причиной взрыва.
     • Разбрызганная аккумуляторная кислота может привести к серьезным ожогам и слепоте.
     • Даже постоянный ток такой мощности может остановить ваше сердце или причинить серьезные ожоги, если пройдет по украшениям надетым на вас.
     • Если дополнительный источник электропитания подключен через панель предохранителей (инвертор или генератор), убедитесь что есть очень заметный знак, предупреждающий об этом обслуживающий персонал энергопоставляющей компании. В противном случае они могут отключить основной ввод электричества и, считая, что цепь обесточена, быть убитыми электрическим током от резервного источника.
     • Вот это интересно. Вон те невинные крутящиеся колесики и красные панельки могут вас убить совсем насмерть.
   • Что бы вы ни устанавливали, убедитесь, что страховка на домовладение покроет это. Не надо надеяться на авось.
   • Сверьтесь с местными строительными нормами и правилами (СНиП).
     • Некоторые люди на самом деле считают солнечные панели «не привлекательными».
     • Некоторые люди считают ветровые турбины «шумными» И «не привлекательными».
     • Если у вас не прав на использование водных ресурсов для вас могут сделать исключение в этом случае.
   • Существую системы «все-в-одном», но обычно они или невелики, или дорогие, или и то и другое.

Термин «генерация» в электротехнику пришел из латинского языка. Он обозначает «рождение». Применительно к энергетике можно сказать, что генераторами называют технические устройства, занимающиеся выработкой электроэнергии.

При этом надо оговориться, что производить электрический ток можно за счет преобразования различных видов энергии, например:

химической;

световой;

тепловой и других.

Исторически сложилось так, что генераторами называют конструкции, которые преобразуют кинетическую энергию вращения в электричество.

По виду вырабатываемой электроэнергии генераторы бывают:

1. постоянного тока;

2. переменного.

Физические законы, которые позволяют создавать современные электрические установки для выработки электроэнергии за счет преобразований механической энергии, открыты учеными Эрстедом и Фарадеем.

В конструкции любого генератора реализуется , когда происходит наводка электрического тока в замкнутой рамке за счет пересечения ее вращающимся магнитным полем, которое создается в упрощенных моделях бытового использования или обмотками возбуждения на промышленных изделиях повышенных мощностей.

При вращении рамки изменяется величина магнитного потока.

Электродвижущая сила, наводимая в витке, зависит от скорости изменения магнитного потока, пронизывающего рамку в замкнутом контуре S, и прямо пропорциональна его значению. Чем быстрее осуществляется вращение ротора, тем выше величина вырабатываемого напряжения.

Для того чтобы создать замкнутый контур и отвести с него электрический ток, потребовалось создать коллектор и щеточный узел, обеспечивающий постоянный контакт между вращающейся рамкой и стационарно расположенной частью схемы.

За счет конструкции подпружиненных щеток, прижимающихся к коллекторным пластинам, происходит передача электрического тока на выходные клеммы, а с них дальше он поступает в сеть потребителя.

Принцип работы простейшего генератора постоянного тока

При вращении рамки вокруг оси ее левая и правая половинки циклически проходят около южного или северного полюса магнитов. В них каждый раз происходит смена направлений токов на противоположное так, что у каждого полюса они протекают в одну сторону.

Для того чтобы в выходной цепи создавался постоянный ток, на коллекторном узле создано полукольцо для каждой половинки обмотки. Прилегающие к кольцу щетки снимают потенциал только своего знака: положительный или отрицательный.

Поскольку полукольцо вращающейся рамки разомкнуто, то в нем создаются моменты, когда ток достигает максимального значения или отсутствует. Чтобы поддерживать не только направление, но и постоянную величину вырабатываемого напряжения, рамку изготавливают по специально подготовленной технологии:

у нее используют не один виток, а несколько - в зависимости от величины запланированного напряжения;

число рамок не ограничивается одним экземпляром: их стараются сделать достаточным количеством для оптимального поддержания перепадов напряжения на одном уровне.

У генератора постоянного тока обмотки ротора располагают в пазах . Это позволяет сокращать потери наводимого электромагнитного поля.

Конструктивные особенности генераторов постоянного тока

Основными элементами устройства являются:

внешняя силовая рама;

магнитные полюса;

статор;

вращающийся ротор;

коммутационный узел со щётками.

Корпус изготавливают из стальных сплавов или чугуна для придания механической прочности общей конструкции. Дополнительной задачей корпуса является передача магнитного потока между полюсами.

Полюса магнитов крепят к корпусу шпильками или болтами. На них монтируют обмотку.

Статор , называемый еще ярмом или остовом, изготавливают из ферромагнитных материалов. На нем размещают обмотку катушки возбуждения. Сердечник статора оснащен магнитными полюсами, образующими его магнитное силовое поле.

Ротор имеет синоним: якорь. Его магнитопровод состоит из шихтованных пластин, снижающих образование вихревых токов и повышающих КПД. В пазы сердечника заложены обмотки ротора и/или самовозбуждения.

Коммутационный узел со щетками может иметь разное количество полюсов, но оно всегда кратно двум. Материалом щеток обычно используют графит. Коллекторные пластины изготавливают из меди, как наиболее оптимального металла, подходящего по электрическим свойствам проводимости тока.

Благодаря использованию коммутатора на выходных клеммах генератора постоянного тока образуется сигнал пульсирующего вида.

Основные типы конструкций генераторов постоянного тока

По типу питания обмотки возбуждения различают устройства:

1. с самовозбуждением;

2. работающие на основе независимого включения.

Первые изделия могут:

использовать постоянные магниты;

или работать от внешних источников, например, аккумуляторных батарей, ветряной установки…

Генераторы с независимым включением работают от собственной обмотки, которая может быть подключена:

последовательно;

шунтами или параллельным возбуждением.

Один из вариантов подобного подключения показан на схеме.

Примером генератора постоянного тока может служить конструкция, которая раньше часто применялась на автомобильной технике. Ее устройство такое же, как у асинхронного двигателя.

Подобные коллекторные конструкции способны работать в режиме двигателя или генератора одновременно. За счет этого они получили распространение в существующих гибридных автомобилях.

Процесс образования якорной реакции

Она возникает в режиме холостого хода при неправильной настройке усилия прижатия щеток, создающее неоптимальный режим их трения. Это может привести к снижению магнитных полей или возникновению пожара из-за повышенного образования искр.

Способами ее снижения являются:

компенсации магнитных полей за счет подключения дополнительных полюсов;

настройка сдвига положения коллекторных щеток.

Преимущества генераторов постоянного тока

К ним относят:

отсутствие потерь на гистерезис и образование вихревых токов;

работа в экстремальных условиях;

пониженный вес и маленькие габариты.

Принцип работы простейшего генератора переменного тока

Внутри этой конструкции используются все те же детали, что и у предыдущего аналога:

магнитное поле;

вращающаяся рамка;

коллекторный узел со щетками для отвода тока.

Основное отличие заключается в устройстве коллекторного узла, который создан так, что при вращении рамки через щетки постоянно создается контакт со своей половинкой рамки без циклической смены их положения.

За счет этого ток, сменяющийся по законам гармоники в каждой половинке, полностью без изменений передается на щетки и далее через них в схему потребителя.

Естественно, что рамка создана намоткой не из одного витка, а рассчитанного их количества для достижения оптимального напряжения.

Таким образом, принцип работы генераторов постоянного и переменного тока общий, а отличия конструкции заключаются в изготовлении:

коллекторного узла вращающегося ротора;

конфигурации обмоток на роторе.

Конструктивные особенности промышленных генераторов переменного тока

Рассмотрим основные части промышленного индукционного генератора, у которого ротор получает вращательное движение от рядом расположенной турбины. В конструкцию статора включен электромагнит (хотя магнитное поле может создаваться набором постоянных магнитов) и обмотка ротора с определённым числом витков.

Внутри каждого витка индуктируется электродвижущая сила, которая последовательно складывается в каждом из них и образует на выходных зажимах суммарное значение напряжения, выдаваемого на схему питания подключенных потребителей.

Чтобы повысить на выходе генератора амплитуду ЭДС используют специальную конструкцию магнитной системы, выполненную из двух магнитопроводов за счет применения специальных сортов электротехнической стали в виде шихтованных пластин с пазами. Внутри их смонтированы обмотки.

В корпусе генератора расположен сердечник статора с пазами для размещения обмотки, создающей магнитное поле.

Вращающийся на подшипниках ротор тоже имеет магнитопровод с пазами, внутри которых смонтирована обмотка, получающая индуцируемую ЭДС. Обычно для размещения оси вращения выбирается горизонтальное направление, хотя, встречаются конструкции генераторов с вертикальным расположением и соответствующей конструкцией подшипников.

Между статором и ротором всегда создается зазор, необходимый для обеспечения вращения и исключения заклинивания. Но, в то же время в нем происходит потеря энергии магнитной индукции. Поэтому его стараются делать минимально возможным, оптимально учитывая оба этих требования.

Расположенный на одном валу с ротором возбудитель является электрогенератором постоянного тока, обладающим относительно небольшой мощностью. Его назначение: питать электроэнергией обмотки силового генератора в состоянии независимого возбуждения.

Подобные возбудители применяют чаще всего с конструкциями турбинных или гидравлических электрогенераторов при создании основного либо резервного способа возбуждения.

На картинке промышленного генератора показано расположение коллекторных колец и щеток для съема токов с конструкции вращающегося ротора. Этот узел при работе испытывает постоянные механические и электрические нагрузки. Для их преодоления создается сложная конструкция, которая при эксплуатации требует периодических осмотров и выполнения профилактических мероприятий.

Чтобы снизить создаваемые эксплуатационные затраты применяется другая, альтернативная технология, при которой тоже используется взаимодействие между вращающимися электромагнитными полями. Только на роторе располагают постоянные или электрические магниты, а напряжение снимают со стационарно расположенной обмотки.

При создании подобной схемы такую конструкцию могут называть термином «альтернатор». Она применяется в синхронных генераторах: высокочастотных, автомобильных, на тепловозах и судах, установках электрических станций энергетики для производства электроэнергии.

Особенности синхронных генераторов

Принцип действия

Название и отличительный признак действия заключен в создании жесткой связи между частотой переменной электродвижущей силы, наводимой в статорной обмотке «f» и вращением ротора.

В статоре вмонтирована трехфазная обмотка, а на роторе - электромагнит с сердечником и обмоткой возбуждения, запитанной от цепей постоянного тока через щеточный коллекторный узел.

Ротор приводится во вращение от источника механической энергии - приводного двигателя с одинаковой скоростью. Его магнитное поле совершает такое же движение.

В обмотках статора наводятся одинаковые по величине, но сдвинутые на 120 градусов по направлению электродвижущие силы, создающие трехфазную симметричную систему.

При подключении на концы обмоток цепей потребителей в схеме начинают действовать токи фаз, которые образуют магнитное поле, вращающееся точно так же: синхронно.

Форма выходного сигнала наводимой ЭДС зависит только от закона распределения вектора магнитной индукции внутри зазора между полюсами ротора и пластинами статора. Поэтому добиваются создания такой конструкции, когда величина индукции меняется по синусоидальному закону.

Когда зазор имеет постоянную характеристику, то вектор магнитной индукции внутри зазора создается по форме трапеции, как показано на графике линий 1.

Если же форму краев на полюсах исправить на косоугольную с изменением зазора до максимального значения, то можно добиться синусоидальной формы распределения, как показано линией 2. Этим приемом и пользуются на практике.

Схемы возбуждения синхронных генераторов

Магнитодвижущая сила, возникающая на обмотке возбуждения «ОВ» ротора, создает его магнитное поле. Для этого существуют разные конструкции возбудителей постоянного тока, основанные на:

1. контактном методе;

2. бесконтактном способе.

В первом случае используется отдельный генератор, называемый возбудителем «В». Его обмотка возбуждения питается от дополнительного генератора по принципу параллельного возбуждения, именуемого подвозбудителем «ПВ».

Все роторы размещаются на общем валу. За счет этого они вращаются совершенно одинаково. Реостаты r1 и r2 служат для регулирования токов в схемах возбудителя и подвозбудителя.

При бесконтактном способе отсутствуют контактные кольца ротора. Прямо на нем монтируют трехфазную обмотку возбудителя. Она синхронно вращается с ротором и передает через совместно вращающийся выпрямитель электрический постоянный ток непосредственно на обмотку возбудителя «В».

Разновидностями бесконтактной схемы являются:

1. система самовозбуждения от собственной обмотки статора;

2. автоматизированная схема.

При первом методе напряжение от обмоток статора поступает на понижающий трансформатор, а затем - полупроводниковый выпрямитель «ПП», вырабатывающий постоянный ток.

У этого способа первоначальное возбуждение создается за счет явления остаточного магнетизма.

Автоматическая схема создания самовозбуждения включает использование:

трансформатора напряжения ТН;

автоматизированного регулятора возбуждения АВР;

трансформатора тока ТТ;

выпрямительного трансформатора ВТ;

тиристорного преобразователя ТП;

блока защиты БЗ.

Особенности асинхронных генераторов

Принципиальное отличие этих конструкций состоит в отсутствие жесткой связи между частотами вращения ротора (nr) и индуцируемой в обмотке ЭДС (n). Между ними всегда существует разница, которую называют «скольжением». Ее обозначают латинской буквой «S» и выражают формулой S=(n-nr)/n.

При подключении нагрузки на генератор создается тормозной момент для вращения ротора. Он влияет на частоту вырабатываемой ЭДС, создает отрицательное скольжение.

Конструкцию ротора у асинхронных генераторов изготавливают:

короткозамкнутой;

фазной;

полой.

Асинхронные генераторы могут иметь:

1. независимое возбуждение;

2. самовозбуждение.

В первом случае используется внешний источник переменного напряжения, а во втором - полупроводниковые преобразователи или конденсаторы в первичной, вторичной или обоих видах схем.

Таким образом, генераторы переменного и постоянного тока имеют много общих черт в принципах построения, но отличаются конструктивным исполнением определённых элементов.

Генератор превращает механическую энергию в электрическую путем вращения проволочной катушки в магнитном поле. Электрический ток вырабатывается и тогда, когда силовые линии движущегося магнита пересекают витки проволочной катушки {рисунок справа). Электроны {голубые шарики) перемещаются по направлению к положительному полюсу магнита, а электрический ток течет от положительного полюса к отрицательному. До тех пор, пока силовые линии магнитного поля пересекают катушку (проводник), в проводнике индуцируется электрический ток.

Аналогичный принцип работает и при перемещении проволочной рамки относительно магнита {дальний рисунок справа), т. е. когда рамка пересекает силовые линии магнитного поля. Индуцированный электрический ток течет таким образом, что его поле отталкивает магнит, когда рамка приближается к нему, и притягивает, когда рамка удаляется. Каждый раз, когда рамка изменяет ориентацию относительно полюсов магнита, электрический ток также изменяет свое направление на противоположное. Все то время, пока источник механической энергии вращает проводник (или магнитное поле), генератор будет вырабатывать переменный электрический ток.

Принцип действия генератора переменного тока

Простейший генератор переменного тока состоит из проволочной рамки, вращающейся между полюсами неподвижного магнита. Каждый конец рамки соединен со своим контактным кольцом, скользящим по электропроводной угольной щетке (рисунок над текстом). Индуцированный электрический ток течет к внутреннему контактному кольцу, когда соединенная с ним половина рамки проходит мимо северного полюса магнита, и, наоборот, к внешнему контактному кольцу, когда мимо северного полюса проходит другая половина рамки.

Трехфазный генератор переменного тока

Одним из наиболее экономически выгодных способов выработки сильного переменного тока является использование одного магнита, вращающегося относительно нескольких обмоток. В типичном трехфазном генераторе три катушки расположены равноудалено от оси магнита. Каждая катушка вырабатывает переменный ток, когда мимо нее проходит полюс магнита (правый рисунок).

Изменение направления электрического тока

Когда магнит вдвигается в проволочную катушку, он индуцирует в ней электрический ток. Этот ток заставляет стрелку гальванометра отклоняться в сторону от нулевого положения. Когда магнит вынимается из катушки, электрический ток изменяет свое направление на противоположное, и стрелка гальванометра отклоняется в другую сторону от нулевого положения.

Переменный ток

Магнит не будет индуцировать электрический ток до тех пор, пока его силовые линии не начнут пересекать проволочную петлю. Когда полюс магнита вдвигается в проволочную петлю, в ней индуцируется электрический ток. Если магнит прекращает движение, электрический ток (голубые стрелки) также прекращается (средняя диаграмма). Когда магнит вынимается из проволочной петли, в ней индуцируется электрический ток, текущий в противоположном направлении.

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:

1. Контактным.
2. 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:

1. Полый ротор.
2. Короткозамкнутый ротор.
3. 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!

Нет сегодня ни одной области техники, где в том или ином виде не использовалось бы электричество. Между тем, с требованиями к электрическим аппаратам связан род тока, питающего их. И хотя переменный ток распространен нынче по всему миру очень широко, есть тем не менее области, где просто не обойтись без постоянного тока.

Первыми источниками годного к использованию постоянного тока были гальванические элементы, которые принципиально давали химическим путем именно , представляющий собой поток электронов, движущихся в одном неизменном направлении. От этого и название у него «постоянный ток».

Сегодня постоянный ток получают не только от батареек и аккумуляторов, но и путем выпрямления переменного тока. Как раз о том, где и почему используется в наш век постоянный ток, и пойдет речь в данной статье.

Начнем с тяговых двигателей электротранспорта. Метро, троллейбусы, теплоходы и электрички традиционно приводятся в движение двигателями, питаемыми постоянным током. изначально отличались от двигателей тока переменного тем, что в них можно было плавно изменять скорость при сохранении высокого крутящего момента.

Переменное напряжение выпрямляется на тяговой подстанции, после чего подается на контактную сеть, - так получают постоянный ток для общественного электротранспорта. На теплоходах электричество для питания двигателей может быть получено от дизельных генераторов постоянного тока.

В электромобилях так же применяются моторы постоянного тока, которые питаются от аккумулятора, и здесь снова получаем преимущество в виде быстро развиваемого крутящего момента привода, и имеем еще один важный плюс - возможность рекуперативного торможения. В момент торможения мотор превращается в генератор постоянного тока и заряжает .

Мощные подъемные краны на металлургических заводах, где необходимо плавно орудовать огромного размера и чудовищной массы ковшами с расплавленным металлом - используют моторы постоянного тока опять же в силу их отличной регулируемости. Это же преимущество относится к применению моторов постоянного тока в шагающих экскаваторах.

Бесколлекторные двигатели постоянного тока способны развивать огромные скорости вращения, измеряемые десятками и сотнями тысяч оборотов в минуту. Так, высокоскоростные электродвигатели постоянного тока небольших размеров устанавливают на жесткие диски, квадрокоптеры, пылесосы и т. д. Незаменимы они и в качестве шаговых приводов управления различными шасси.

Само по себе прохождение электронов и ионов в одном направлении при постоянном токе делает постоянный ток принципиально незаменимым .

Реакция разложения в электролите, под действием в нем постоянного тока, позволяет осадить на электродах определенные элементы. Так получают алюминий, магний, медь, марганец и другие металлы, а также газы: водород, фтор и т.д, и многие прочие вещества. Благодаря электролизу, то есть по сути - постоянному току, существуют целые отрасли металлургии и химической промышленности.

Гальванотехника немыслима без постоянного тока. Металлы осаждают на поверхность изделий различной формы, таким образом осуществляют в частности хромирование и никелирование, создают печатные формы и металлические монументы. Что и говорить о применении гальванизации в медицине для лечения болезней.

Сварка на постоянном токе гораздо эффективнее, чем на токе переменном, шов получается на много более качественным, чем при сварке того же изделия тем же электродом, но током переменным. Все современные выдают на электрод постоянное напряжение.

Мощные дуговые лампы, устанавливаемые в кинопроекторах многочисленных профессиональных киностудий дают ровный свет без гудящей дуги как раз благодаря питанию дуги постоянным током. Светодиоды, так те принципиально питаются током постоянным, именно поэтому большинство сегодняшних прожекторов питаются постоянным током, хотя и получаемым путем преобразования переменного сетевого тока или же от аккумуляторов (что иногда очень даже удобно).

Двигатель внутреннего сгорания автомобиля хоть и питается бензином, однако стартует он от аккумулятора. И здесь постоянный ток. Стартер получает питание от батареи с напряжением в 12 вольт, и в момент старта забирает от нее ток в десятки ампер.

После старта аккумулятор в автомобиле заряжается генератором, который вырабатывает переменный трехфазный ток, тут же выпрямляемый и подаваемый на клеммы аккумулятора. Переменным током аккумулятор не зарядишь.

А резервные источники питания? Если даже огромная электростанция встала из-за аварии, то и здесь дать старт турбогенераторам помогут вспомогательные аккумуляторы. И самые простые домашние источники бесперебойного питания компьютеров - тоже не обойдутся без аккумуляторов, дающих постоянный ток, из которого путем преобразования в инверторе получается ток переменный. А сигнальные лампы и - почти везде питается от аккумуляторов, то есть и здесь пригодился постоянный ток.

Подводная лодка - и та использует на борту постоянный ток для питания электродвигателя, вращающего гребной винт. Вращение турбогенератора на самых современных атомоходах хотя и достигается путем ядерных реакций, однако электроэнергия подается на двигатель в виде все того же постоянного тока. Это же касается и дизель-электрических субмарин.

И конечно, не только электровозы шахт, погрузчики или электрокары используют постоянный ток от аккумуляторов. Все электронные гаджеты, которые мы носим с собой, содержат литиевые аккумуляторы, которые выдают постоянное напряжение и заряжаются постоянным током от зарядных устройств. А если вспомнить радиосвязь, телевидение, радио- и теле- вещание, интернет и т. д. На самом деле выходит, что добрая часть всех устройств питается прямо или косвенно постоянным током от аккумуляторов.