Неподвижная часть генератора переменного тока. Как работает и устроен генератор тока

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.

Это такой тип электрической машины, которая способствует преобразованию механической энергии в электрическую. Основано действие генераторов тока по принципу электромагнитной индукции: электродвижущая сила (ЭДС) наводится в движущемся в магнитном поле проводе.

Производить генератор тока может не только постоянный, но и переменный ток. На латыни слово генератор (generator) означает - производитель.

На мировом рынке наиболее известными поставщиками генераторов являются компании: General Electric (GE), ABB, Siemens AG, Mecc Alte.

Генераторы постоянного тока.

Единственным типом источника для получения электроэнергии на протяжении долгого времени были электрические генераторы .

Переменный ток индуктируется в обмотке якоря генератора постоянного тока , затем он электромеханическим выпрямителем - коллектором преобразуется в постоянный ток. Особенно при большой частоте вращения якоря генератора, процесс выпрямления тока коллектором связан с очень частым износом щеток и коллектора.

Различаются генераторы постоянного тока по характеру их возбуждения, они бывают с самовозбуждением и независимого возбуждения. К независимому источнику питания в генераторах с электромагнитным возбуждением подключается обмотка возбуждения, располагающаяся на главных полюсах.

Постоянными магнитами, из которых производятся полюсы машины, возбуждаются генераторы с магнитоэлектрическим возбуждением. Основное применение генераторы постоянного тока находят в тех отраслях промышленности, где постоянный ток является предпочтительным по условиям производства (предприятия электролизной и металлургической промышленности, суда, транспорт и прочие). В качестве источников постоянного тока и возбудителей синхронных генераторов применяются генераторы постоянного тока на электростанциях.

Может достигать до 10 Мегаватт мощность генератора тока .

При достаточно высоком напряжении получать большие токи позволяют генераторы переменного тока . Несколько типов индукционных генераторов различают в настоящее время.

Они состоят из создающего магнитное поле постоянного магнита или электромагнита и обмотки, индуцируется в которой переменная ЭДС. Так как складываются наводимые в последовательно соединенных витках ЭДС, то в рамке индукции амплитуда ЭДС будет пропорциональна количеству в ней витков. Также она пропорциональна через каждый виток амплитуде переменного магнитного потока. В генераторах тока , чтобы получить большой магнитный поток применяется специальная магнитная система, состоящая из двух сердечников, изготовленных из электротехнической стали. В пазах одного из сердечников размещены создающие магнитное поле обмотки, а в пазах второго располагаются обмотки, в которых индуцируется ЭДС. Один из сердечников называется ротором, так как он вращается вокруг вертикальной или горизонтальной оси, вместе со своей обмоткой.

Другой сердечник называется статором - это неподвижный сердечник с его обмоткой. Как можно меньшим делается зазор между сердечниками ротора и статора, наибольшее значение потока магнитной индукции обеспечивается этим. Электромагнит, являющийся ротором вращается в больших промышленных генераторах , а обмотки, уложенные в пазах статора и в которых наводится ЭДС остаются неподвижными.

С помощью скользящих контактов приходится во внешнюю цепь подводить ток к ротору или отводить его из обмотки ротора. Контактными кольцами, которые присоединены к концам его обмотки для этого снабжается ротор. К кольцам прижаты неподвижные пластины-щетки, они осуществляют связь с внешней цепью обмотки ротора. В обмотках создающего магнитное поле электромагнита, сила тока значительно меньше той силы тока, которую отдает генератор тока во внешнюю цепь. Поэтому гораздо удобнее снимать генерируемый ток с неподвижных обмоток, а сравнительно слабый ток подводить через скользящие контакты к вращающемуся электромагниту. Вырабатывается этот ток, расположенным на том же валу отдельным генератором постоянного тока (возбудителем). Вращающимся магнитом создается магнитное поле в маломощных генераторах тока, щетки и кольца в таком случае вообще не требуются.

Бывают двух типов обмотки возбуждения синхронных генераторов: с явнополюсными и неявнополюсными роторами. Выступают из индуктора несущие обмотки возбуждения в генераторах с явнополюсными роторами полюса. На сравнительно низкие частоты вращения рассчитаны генераторы данного типа, они используются для работы с приводом от поршневых паровых машин, гидротурбин, дизельных двигателей. Для привода синхронных генераторов с неявнополюсными роторами применяются газовые и паровые турбины. Стальную поковку с фрезерованными продольными пазами для витков обмотки возбуждения, которые обычно выполнены в виде медных пластин, представляет собой ротор такого генератора. В пазах фиксируются витки, а для снижения потерь мощности и уровня шума, связанных с сопротивлением воздуха шлифуется, а затем полируется поверхность ротора.

По большей части трехфазными делаются обмотки генераторов тока . Подобное сочетание движущихся частей, способных создавать энергию также экономично и непрерывно, встречается в механике редко.

Современный генератор тока является внушительным сооружением, состоящим из медных проводов, стальных конструкций и изоляционных материалов. С точностью до 1 миллиметра изготавливаются важнейшие детали генераторов, которые сами имеют размеры несколько метров.

Электричество не является первичной энергией, свободно присутствующей в природе в значительных количествах, и для использования его в промышленности и быту оно должно быть произведено. Большую его часть создают устройства, преобразующие движущую силу в электрический ток - так работают генераторы, источниками механической энергии для которых могут служить паровые и водяные турбины, ДВС и даже мускульная сила человека.

История и эволюция

Открытие Майклом Фарадеем в 1831 г. законов электромагнитной индукции стало основой для построения электрических машин. Но до появления электрического освещения не было необходимости в коммерческой реализации технологии. В ранних потребителях электроэнергии, например, в телеграфе, как источник питания использовались гальванические батареи. Это был очень дорогой способ производства электричества.

В конце XIX века многие изобретатели искали применение принципу индукции Фарадея для выработки электроэнергии механическим способом. Одними из важных достижений были разработка динамо Вернером фон Сименсом и производство Ипполитом Фонтеном рабочих моделей генераторов Теофила Грамма. Первые устройства использовались вместе с приборами наружного дугового освещения, известными как свечи Яблочкова.

На смену им пришла весьма успешная система Томаса Эдисона на лампах накаливания. В основе его коммерческих электростанций были мощные генераторы, но схема, построенная на производстве постоянного тока, была плохо приспособлена для распределения питания на большие расстояния из-за внушительных теплопотерь.

Никола Тесла разработал усовершенствованный генератор переменного тока, а также практичный асинхронный двигатель. Эти электрические машины наряду с трансформаторами для повышения и понижения напряжения дали основу для создания электрокомпаниями более крупных сетей распределения с использованием мощных электростанций. В больших энергетических системах переменного тока затраты на генерацию и транспортировку были в несколько раз ниже, чем в схеме Эдисона, что стимулировало спрос на электроэнергию и, как следствие, дальнейшую эволюцию электрических машин. Основными датами в истории генераторов можно считать:

Принцип работы

Генераторы, работающие на принципе электромагнитной индукции, не создают электричества. Они с помощью механической энергии лишь приводят в движение электрические заряды, которые всегда присутствуют в проводниках. Принцип работы электрогенератора можно сравнить с водяным насосом, вызывающим поток воды, но не создающим воду в трубах. Подавляющее большинство индукционных генераторов представляет собой электрические машины вращательного типа , состоящие из двух основных компонентов:

• статор (неподвижная часть);
• ротор (вращающаяся часть).

Для иллюстрации того, как работает электрогенератор, может служить простейшая электрическая машина, состоящая из витка проволоки и U-образного магнита. Основные принципиальные элементы этой модели:

• магнитное поле;
• движение проводника в магнитном поле.

Магнитным полем называется область вокруг магнита, где его сила ощутима. Чтобы лучше понимать работу модели, можно представить силовые линии, выходящие с северного полюса магнита и возвращающиеся в южный. Чем сильнее магнит, тем большее количество силовых линий он создаёт. Если виток начать вращать между полюсами, то обе его стороны начнут пересекать воображаемые магнитные линии. Это вызывает движение электронов в проводнике (генерацию электричества).

В соответствии с правилом правой руки при вращении витка в нём будет индуцироваться ток, изменяющий своё направление через каждые пол-оборота, так как силовые линии сторонами витка будут пересекаться то в одном, то в другом направлении. Дважды за каждый оборот виток проходит через положения (параллельно полюсам), при которых электромагнитная индукция не возникает. Таким образом, простейший генератор работает как электрическая машина, производящая переменный ток. Создаваемое им напряжение может быть изменено за счёт:

• силы магнитного поля;
• скорости вращения витка;
• количества витков провода, пересекающих силовые линии магнитного поля.

Виток проводника, проворачивающийся между полюсами магнита, создаёт ещё один важный эффект. Когда в витке протекает ток, он создаёт электромагнитное поле, обратное полю постоянного магнита. И чем больше электричества индуцируется в витке, тем сильнее магнитное поле и сопротивление проворачиванию проводника. Эта же магнитная сила в витках вызывает вращение ротора электромотора, то есть при определённых условиях генераторы могут работать как двигатели и наоборот.

Особенности генераторов AC

Переменный ток (AC) производит описанный простейший генератор. Для того чтобы созданное электричество можно было использовать, его нужно каким-то образом доставить к нагрузке. Это осуществимо при помощи контактного узла на валу, состоящего из вращающихся колец и скользящих по ним фиксированных деталей из углерода, называемых щётками. Каждый конец вращающегося проводника соединён с соответствующим кольцом, и ток, таким образом создаваемый в витке, проходит через кольца и щётки к нагрузке.

Строение промышленных машин

Практические генераторы отличаются от простейших. Обычно они снабжены возбудителем - вспомогательным генератором, подающим постоянный ток электромагнитам, используемым для создания магнитного поля в генераторе.

Вместо витка в простейшей модели практические устройства оснащают обмотками из медной проволоки, а роль магнита выполняют катушки на железных сердечниках. В большинстве генераторов переменного тока электромагниты, создающие переменное поле, размещаются на роторе, а электроэнергия индуцируется в катушках статора.

В подобных устройствах коллектор используется для переноса постоянного тока от возбудителя на магниты. Это значительно упрощает конструкцию, так как удобнее передавать через щётки слабые токи и принимать высокое напряжение с неподвижных обмоток статора.

Применение в сетях

В некоторых машинах количество секций обмоток совпадает с количеством электромагнитов. Но большинство генераторов AC оснащено тремя наборами катушек для каждого полюса. Такие машины производят три потока электричества и называются трёхфазными. Их удельная мощность значительно выше, чем у однофазных.

На электростанциях в качестве преобразователей механической энергии в электрическую служат генераторы AC. Это связано с тем, что напряжение переменного тока легко увеличить или уменьшить с помощью трансформатора. В крупных генераторах производится напряжение около 20 тыс. вольт. Затем оно повышается более чем на порядок для возможности транспортировки электричества на большие расстояния. В месте применения электроэнергии с помощью серии понижающих трансформаторов создаётся напряжение, пригодное для использования.

Устройство динамо-машин

Виток провода, вращающийся между полюсами магнита, за каждый оборот дважды меняет полюса на концах проводника. Чтобы превратить простейшую модель в генератор постоянного тока, необходимо сделать две вещи:

• отвести ток с витка на нагрузку;
• организовать протекание отведённого тока только в одном направлении.

Роль коллектора

Устройство, называемое коллектором, способно выполнить обе задачи. Его отличие от контактного щёточного узла в том, что его основу составляет не кольцо из проводника, а набор из сегментов, изолированных друг от друга. Каждый конец вращающегося контура соединён с соответствующим сектором коллектора, а две неподвижные угольные щётки снимают с коммутатора электрический ток.

Коллектор устроен таким образом, что независимо от полярности на концах витка и фазы вращения ротора контактная группа обеспечивает току нужное направление при передаче его на нагрузку. Обмотки в практических динамо состоят из множества сегментов, поэтому для генераторов постоянного тока из-за необходимости их коммутации схема, при которой якорь с индуцируемыми катушками вращается в магнитном поле, оказалась предпочтительнее.

Питание электромагнитов

Классические динамо используют постоянный магнит для индуцирования поля. Остальные генераторы DC нуждаются в питании для электромагнитов. В так называемых раздельно возбуждаемых генераторах для этого используются внешние источники постоянного тока. Самовозбуждающиеся устройства реализуют часть самостоятельно производимого электричества для управления электромагнитами. Запуск таких генераторов после остановки зависит от их возможности накапливать остаточный магнетизм. В зависимости от способа соединения катушек возбуждения с обмотками якоря разделяют:

• шунтовые (с параллельным возбуждением);
• сериесные (с последовательным возбуждением);
• смешанного возбуждения (с комбинацией шунтового и последовательного).

Типы возбуждения применяются в зависимости от требуемого контроля напряжения. Например, генераторы, используемые для зарядки аккумуляторов, нуждаются в простом управлении напряжением. В этом случае подходящим типом будет шунтовой. В качестве машин, генерирующих энергию для пассажирского лифта, применяют отдельно возбуждаемый генератор, так как подобные системы требуют сложного управления.

Применение коллекторных генераторов

Многие генераторы DC приводятся в действие двигателями переменного тока в комбинациях, называемых мотор-генераторными установками. Это один из способов изменения переменного тока на постоянный. Заводы, выполняющие гальванизацию, производящие алюминий, хлор и некоторые другие материалы электрохимическим способом, нуждаются в большом количестве прямого тока.

С помощью дизель-электрогенераторов производится также энергоснабжение DC на локомотивах и судах. Поскольку коллекторы являются сложными и ненадёжными устройствами, зачастую генераторы DC заменяются на машины, производящие AC в сочетании с электронными. Коммутаторные генераторы нашли применение в маломощных сетях, позволяющих использовать динамо на постоянных магнитах без контуров возбуждения.

Существуют и другие типы устройств, которые способны производить электричество. К ним относятся электрохимические батареи, термоэлектрические и фотоэлектрические элементы, топливные преобразователи. Но в сравнении с индукционными генераторами AC/DC их доля в мировом производстве энергии ничтожна.

Электрогенератор – один из составляющих элементов автономной электростанции , а также многих других. По сути, он и является самым важным элементом, без которого невозможна выработка электрической энергии . Электрогенератор преобразует вращательную механическую энергию в электрическую. Принцип его действия основан на так называемом явлении самоиндукции, когда в проводнике (катушке), двигающемся в силовых линиях магнитного поля возникает электродвижущая сила (ЭДС), которую можно (для лучшего понимания вопроса) назвать электрическим напряжением (хотя это и не одно и то же).

Составными частями электрического генератора являются магнитная система (в основном используются электромагниты) и система проводников (катушек). Первая создает магнитное поле, а вторая, вращаясь в нем, преобразует его в электрическое. Дополнительно в генераторе есть еще и система отвода напряжения (коллектор и щетки, соединение катушек определенным образом). Она собственно связывает генератор с потребителями электрического тока.

Получить электроэнергию можно и самому, проведя самый простейший опыт. Для этого нужно взять два разнополюсных магнита или повернуть два магнита разными полюсами друг к другу, и поместить между ними металлический проводник в виде рамки. К ее концам подключить небольшую (слабомощную) электрическую лампочку. Если рамку начать вращать в ту или другую сторону, лампочка начнет светится, то есть на концах рамки появилось электрическое напряжение, а через ее спираль потек электрический ток . Точно также происходит в электрогенераторе, стой лишь разницей, что в электрогенераторе более сложная система электромагнитов и намного сложнее катушка из проводников, обычно медных.

Электрогенераторы различаются как по типу привода, так и по виду выходного напряжения. По типу привода, который приводит его в движение:

• Турбогенератор – приводится в движение при помощи паровой турбины или газотурбинного двигателя. В основном используются на больших (промышленных) электростанциях.
• Гидрогенератор – приводится в движение при помощи гидравлической турбины. Применяется также на больших электростанциях, работающих посредством движения речной и морской воды.
• Ветрогенератор – приводится в движение при помощи энергии ветра. Используется как в маленьких (частных) ветряных электростанциях , так и в больших промышленных.
• Дизель-генератор и бензо-генератор приводятся в движение соответственно дизельным и бензиновым двигателем.

По виду выходного электрического тока:

• Генераторы постоянного тока – на выходе получаем постоянный ток.
• Генераторы переменного тока. Бывают однофазные и трехфазные, с однофазным и трехфазным выходным переменным током соответственно.

Различные типы генераторов имеют свои конструктивные особенности и практически несовместимые узлы. Объединяет их лишь общий принцип создания электромагнитного поля путем взаимного вращения одной системы катушек относительно другой либо относительно постоянных магнитов. Ввиду этих особенностей ремонт генераторов или их отдельных компонентов под силу только квалифицированным специалистам.

Тот, кто незнаком с генераторами, объясняем, что это агрегат, в котором из одного вида энергии получается другая. А, точнее, из механической электрическая. При этом эти приборы могут генерировать как ток постоянный, так и ток переменный. До середины двадцатого века использовались в основном генераторы постоянного тока. Это были аппараты больших размеров, которые работали не очень хорошо. Появление на рынке диодов полупроводникового типа позволило изобрести трехфазный генератор переменного тока. Именно диоды позволяют выпрямить переменный ток.

Принцип работы

В основе работы трехфазного генератора лежит закон Фарадея – закон электромагнитной индукции, который гласит, что электродвижущая сила будет обязательно индуцироваться во вращающейся прямоугольной рамке, которая установлена между двумя магнитами. При этом делается оговорка, что магниты будут создавать вращающееся магнитное поле. Направление вращения и рамки, и магнитного поля обязательно совпадают. Но электродвижущая сила будет возникать и в том случае, если рамка останется неподвижной, а внутри нее вращать магнит.

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

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

Конечно, это просто схема, хотя лабораторные генераторы так и создавались. На практике же обычные магниты заменяют электромагнитами. Последние – это медная обмотка или катушки индуктивности. Когда по ним проходит электрический ток, образуется необходимое магнитное поле. Такие генераторы установлены во всех автомобилях (это для примера), чтобы их запустить, под капотом устанавливается аккумулятор, то есть, источник постоянного тока. Некоторые модели генераторов запускаются по принципу самовозбуждения или при помощи маломощных генераторов.

Разновидности

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

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

Конечно, в данном разделении лежит принцип работы агрегата. Но есть и другие критерии.

• Однофазный.
• Двухфазный.
• Трехфазный.
• Многофазный (обычно шесть фаз).
• Сварочный.
• Линейный.
• Индукционный.
• Стационарный.
• Переносной.

Устройство трехфазного генератора

В принципе, устройство трехфазного генератора переменного тока достаточно простое. Это корпус с двумя крышками с противоположных сторон. В каждой из них проделаны отверстия для вентиляции. В крышках устроены ниши под подшипники, в которых вращается вал. На передний конец вала устанавливается передаточный элемент. К примеру, на автомобильном генераторе установлен шкив, с помощью которого вращение передается от двигателя внутреннего сгорания на генератор. На противоположном конце вала производится передача электрического тока, ведь вал в этом случае выступает как электромагнит с одной обмоткой.

Передача производится через графитовые щетки и токосъемные кольца (они из меди). Щетки соединены с электрорегулятором (по сути, это обычное реле), который регулирует подачу напряжение 12 вольт с требуемыми отклонениями. Самое важное, что реле не повышает и не понижает напряжение в зависимости от скорости вращения самого вала.

Так вот если говорить о трехфазных генераторах переменного тока, то это три вот таких однофазных. Только трехфазный агрегат имеет обмотку не на роторе (валу), а в статоре. И таких обмоток три, которые сдвинуты относительно друг друга по фазе. Вал, как и в первой конструкции, выполняет функции электромагнита, который питается через контакты скользящего типа постоянным током.

Вращение вала создает в обмотках магнитное поле. Электродвижущая сила начинает индуцироваться, когда происходит пересечение магнитного поля обмоток с ротором. А так как обмотки располагаются на статоре симметрично, то есть, через каждые 120º, то соответственно и электродвижущая сила будет иметь одинаковое амплитудное значение.