После половины отжима все возвращается в исходное состояние, и цикл повторяется снова. В результате за один полный оборот рамки ток дважды поднимается до максимума, а затем падает до нуля, и только один раз он меняет направление относительно первоначального движения.
Асинхронный генератор
Все известные типы генераторов в зависимости от особенностей их работы делятся на синхронные и асинхронные машины, причем последние являются наиболее распространенными. Их конструкция и работа аналогичны асинхронным двигателям, но преобразование энергии в генераторе происходит в обратном направлении (из механической формы в электрическую). Как выглядит асинхронный генератор на практике, можно увидеть на следующем рисунке.
Аналогично асинхронным двигателям, находящимся в реверсе (режим торможения), примерно такой же эффект возникает при выработке электроэнергии, что приводит к частичной потере мощности в виде тепла. Из этого следует, что эффективность такой установки относительно низкая.
Принцип работы
Хорошее понимание того, как работает асинхронная машина, можно получить, ознакомившись с основными элементами современных производственных машин. Фактом является то, что синхронные и асинхронные генераторы очень похожи по своей конструкции и работе, отличаясь лишь незначительными деталями (особенно в конструкции вращающегося ротора).
В машинах первой категории используется ротор, к которому прикреплены постоянные магниты. При вращении магнитные элементы вызывают изменение магнитного поля в статоре, что приводит к подаче переменного тока на нагрузку, подключенную к его клеммам. Это вращает сам ротор, который асимметричен (находится вне фазы) по отношению к ЭЭД, которую он генерирует в катушках.
В отличие от синхронных машин, асинхронный генератор характеризуется небольшим гистерезисом во вращении роторного элемента устройства по отношению к электромагнитному полю, индуцированному в статоре. Последнее, по-видимому, тормозит его движение, что обычно известно как «эффект скольжения».
Обратите внимание! Это явление можно объяснить структурой ротора АГ, который имеет форму короткозамкнутой сплошной решетки (так называемое «беличье колесо»). Его внешний вид можно увидеть на фотографии ниже.
Когда приводной вал вращается под воздействием внешнего механического импульса (например, от двигателя внутреннего сгорания), в решетке ротора индуцируется собственная ЭЭД из-за остаточного магнетизма статора. Следовательно, два поля (движущееся и недвижущееся) начинают динамично взаимодействовать.
Поскольку поле в обмотках ротора индуцируется с задержкой по отношению к неподвижному статору генератора, оно немного отстает от индуцированного поля ЭЭД в роторе (т.е. вращается асинхронно).
Возможность управления
Другой особенностью синхронного генератора (как и асинхронного) является то, что частота и амплитуда ЭЭД, индуцируемой на клеммах статора, сильно зависит от скорости вращения ротора.
Важно. При изменении активной нагрузки, подключенной к генератору, частота вращения вала генератора также изменяется, что приводит к изменению характеристик ЭЭД, генерируемой в статоре.
Этот недостаток делает необходимым установку электронного регулятора напряжения и частоты в синхронных и асинхронных агрегатах для обеспечения поддержания этих параметров на должном уровне (схема регулятора показана ниже).
Поскольку асинхронный генератор работает по принципу неравномерного вращения полей подвижных и неподвижных частей, нельзя гарантировать, что параметры работы можно регулировать в пределах системы. Это связано с тем, что прямая обратная связь по напряжению путем подачи части выходного сигнала со статора на ротор невозможна (в АГ можно использовать только внешние регуляторы напряжения).
Это еще одно отличие асинхронных устройств от их синхронных аналогов, которые очень похожи на первые во всех остальных отношениях.
Устройство
Генератор имеет простую конструкцию. Основными элементами устройства являются:
Первый элемент является подвижной частью, а второй элемент сохраняет свое положение во время работы. В устройстве не сразу видно, что имеются обмотки кабеля, которые обычно изготавливаются из меди. Однако существуют также катушки, изготовленные из алюминиевых стержней и обладающие лучшими свойствами.
Структура, образованная короткозамкнутыми витками, называется «беличьей клеткой».
Внутренняя часть заполняется стальными пластинами, а алюминиевые стержни вдавливаются в пазы, предусмотренные в сердцевине подвижного элемента. Ротор расположен на валу генератора и установлен в специальных подшипниках. Две крышки, удерживающие вал с обеих сторон, надежно фиксируют элементы устройства. Корпус изготовлен из металлического материала. Некоторые модели дополнительно оснащены вентилятором для охлаждения устройства во время работы, а корпус имеет ребристую поверхность.
Преимуществом генераторов является то, что их можно использовать как в сети 220 В, так и при более высоком напряжении. Для правильного подключения устройства необходимо выбрать подходящую цепь.
Принцип работы
Основное назначение генератора — производство электроэнергии за счет механической энергии:
- ветровой;
- гидравлической;
- внутренней, преобразованной в механическую.
Когда ротор начинает вращаться, в его контуре возникают магнитные силовые линии. Они проходят через обмотки статора, создавая электродвижущую силу. Он отвечает за генерацию тока в цепях. Это осуществляется путем подключения к устройству активных нагрузок.
Важным моментом для бесперебойной работы является контроль скорости вращения вала. Она должна быть больше частоты, на которой генерируется переменный ток. Последний определяется полюсами статора. Проще говоря, необходимо обеспечить, чтобы частоты не колебались во время выработки электроэнергии. Они должны оставаться позади на величину проскальзывания ротора.
Пока вал вращается, его собственная ЭЭД вызывается внешним импульсом, возникающим в результате подачи механической энергии и остаточного магнетизма устройства. Это вызывает динамическое взаимодействие между двумя полями — движущимся и покоящимся.
Ток, генерируемый в АГ, невелик. Для увеличения выходной мощности требуется увеличение магнитной индукции.
Часто дополнительные конденсаторные статоры помогают достичь этой цели. Они подключаются к кабелям катушки, и работа системы тщательно контролируется.
Сфера применения
Асинхронные генераторы очень популярны, и преимущества этих систем заключаются в следующем:
- устойчивость к перегрузкам и КЗ;
- простую конструкцию;
- небольшой процент нелинейных искажений;
- стабильную работу за счет небольшого значения клирфактора;
- стабилизацию напряжения на выходе.
При подключении генератор выделяет лишь небольшое количество реакционного тепла, поэтому нет необходимости устанавливать дополнительные охлаждающие устройства. Это означает, что внутренняя часть устройства может быть надежно герметизирована для защиты от влаги, грязи или пыли.
Благодаря своим преимуществам генераторы активно используются в качестве источника энергии в следующих отраслях и сферах:
- транспортной;
- промышленной;
- бытовой;
- сельскохозяйственной.
Мощные агрегаты также можно встретить в автомобильных мастерских. Благодаря своей упрощенной конструкции они также могут использоваться в качестве источника питания. Их можно использовать для сварочных аппаратов, а также для питания важных медицинских учреждений.
Эксплуатация генераторов этого типа позволяет в короткие сроки строить и вводить в эксплуатацию ветряные и гидроэлектростанции.
Это означает, что даже деревни и фермы, не подключенные к электросети, могут быть обеспечены электроэнергией.
Специфика устройства и принцип действия
Основными компонентами асинхронных генераторов являются ротор и статор. Ротор представляет собой клетку, которая при вращении генерирует электродвижущую силу. Для проводящих поверхностей используется алюминий. Статор оснащен трехфазной или однофазной обмоткой, которая расположена в конфигурации звезды.
- ввод кабеля (по нему выводится электрический ток);
- температурный датчик (нужен, чтобы отслеживать нагрев обмотки);
- фланцы (назначение – более плотное соединение элементов);
- контактные кольца (не связаны друг с другом);
- регулирующие щётки (они запускают реостат, позволяющий регулировать роторное сопротивление);
- короткозамыкательное устройство (используется, если надо принудительно остановить реостат).
Принцип работы асинхронных генераторов основан на преобразовании механической энергии в электрическую. Движение лопастей ротора создает электрический ток на поверхности ротора.
Это создает магнитное поле, которое индуцирует в статоре однофазное и трехфазное напряжение. Вырабатываемая мощность может регулироваться путем изменения нагрузки на обмотки статора.
Особенности схемы
Схема генератора асинхронного двигателя довольно проста. Никаких специальных навыков не требуется. Когда разработка запускается без подключения к сети, она начинает вращаться. Как только обмотка статора достигает подходящей частоты, она начинает вырабатывать ток.
Если установлена отдельная батарея с большим количеством конденсаторов, это приведет к большому емкостному току.
На параметры вырабатываемой мощности влияют технические характеристики генератора и емкость используемых конденсаторов.
Виды асинхронных моторов
Принято различать следующие типы асинхронных генераторов:
Короткозамкнутый ротор. Такое устройство состоит из неподвижного статора и вращающегося ротора. Сердечники изготовлены из стали. Изолированный провод помещается в пазы сердечника статора. Обмотка сердечника устанавливается в пазы сердечника ротора. Обмотка ротора замыкается специальными короткозамыкающими кольцами.
Ротор оснащен фазосдвигающим ротором. Обмотка ротора связана с высокими затратами. Это требует специализированного обслуживания. Его конструкция аналогична конструкции короткозамкнутого генератора с короткозамкнутым ротором. Отличие заключается в использовании изолированного провода в качестве обмотки.
Концы обмотки соединяются со специальными втулками, которые устанавливаются на вал. Щетки, соединяющие кабель с реостатом, перемещаются по этим кольцам. Асинхронный генератор с фазным ротором менее надежен.
Схемы подключения
Все генераторные установки делятся на две группы в зависимости от количества используемых фаз:
Однофазный генератор
Схема подключения однофазных агрегатов
С этим типом оборудования может работать любой потребитель электроэнергии, главное, чтобы он был однофазным.
Простейшие рисунки состоят из:
- магнитного поля;
- прокручивающейся рамки;
- коллекторного устройства, предназначенного для отвода тока.
Наличие последних приводит к постоянному контакту с рамой через щетки. Ток, который колеблется по гармоническому закону, изменяется и передается как на щеточный узел, так и на потребители напряжения. В настоящее время однофазные устройства являются наиболее популярным типом автономных источников питания. Их можно использовать для подключения практически всех бытовых приборов.
Трехфазный генератор
Этот тип оборудования относится к категории универсального, но более дорогого оборудования. Характерной особенностью трехфазных генераторов является необходимость постоянного и дорогостоящего технического обслуживания. Тем не менее, этот тип оборудования является наиболее широко используемым.
Это обусловлено следующими преимуществами:
- В основе агрегата используется вращающееся круговое магнитное поле. Это обеспечивает возможность хорошей экономии при разработке оборудования.
- Трехфазные генераторы состоят из уравновешенной системы. Это обеспечивает ресурс эксплуатации агрегата в целом.
- В работе трехфазного устройства одновременно используется два напряжения — линейное и фазовое. Оба применяются в единой системе.
- Одно из основных преимуществ — повышенные экономические показатели. Это обеспечивает снижение материалоемкости силовых проводов, а также трансформаторных агрегатов. Благодаря данной особенности упрощается процедура передачи электричества на большие расстояния.
Схема соединения «звездой»
В этом типе соединения концы обмоток соединяются в определенной точке, называемой «нулевой точкой». При таком типе подключения нагрузка может подаваться в производственную линию по трем или четырем проводам. Проводники в начале обмоток считаются линейными кабелями. Главный кабель, отходящий от точки «звезда», является нейтральным проводником. Напряжение между проводниками считается линейным (это значение в 1,73 раза больше фазного).
Соединение звездой для подключения трехфазных устройств
Одной из важнейших особенностей этой версии является равенство токов. Четырехпроводное соединение звездой с нейтральным проводником считается наиболее распространенным. Его использование позволяет избежать дисбаланса фаз при подключении несимметричных нагрузок. Например, когда нагрузка активна на одной клемме и неактивна или емкостна на другой. Этот вариант обеспечивает максимальную защиту подключенного электрооборудования.
Схемы соединения «треугольником»
Этот тип соединения представляет собой последовательное соединение обмоток трехфазного устройства. Конец первой обмотки должен быть соединен с началом второй, а ее контакт — с третьей. Затем проводник обмотки 3 соединяется с началом первого элемента.
Особенности генераторов с разными типами двигателя
Автомобильную технику и бытовые приборы можно различать в зависимости от вида топлива, на котором они работают. Генератор может работать на бензине или дизельном топливе.
Бензогенераторы
Источником механической энергии в этих приборах является двигатель. Аппарат классифицируется как четырехтактный карбюраторный двигатель. В бензиновых генераторах используются двигатели мощностью от 1 кВт до 6 кВт. На рынке представлены установки мощностью 10 кВт, которые могут питать все освещение и электроприборы в частном доме.
Бензиновые генераторы недороги и имеют длительный срок службы, хотя они несколько меньше дизельных генераторов. Выбор устройства зависит от нагрузки, для которой оно будет использоваться. Если агрегат работает с высоким пусковым током и используется для сварки, предпочтительнее использовать современные агрегаты. Если выбран асинхронный двигатель, он должен выдерживать пусковые токи. Однако важно, чтобы устройство было полностью заряжено, иначе топливо расходуется впустую.
Olifer TV объясняет выбор оборудования для частного дома в зависимости от вида топлива, которое будет использоваться.
Дизельные генераторы
Такой агрегат приводится в действие дизельным двигателем.
Он основан на:
- механическая составляющая;
- панель с кнопками, предназначенная для управления;
- система подачи топлива;
- охладительный узел;
- система смазки трущихся компонентов и узлов.
Мощность агрегата определяется исключительно аналогичным параметром самого двигателя. Если потребление электроэнергии невелико, например, для работы электроприборов в доме, лучше выбрать агрегат, работающий на бензине. Дизельная генераторная установка подходит, когда требуется высокая мощность. Двигатели внутреннего сгорания обычно работают с верхним расположением клапанов. Они не только меньше, но и более надежны.
Кроме того, дизельные двигатели выделяют меньше газов, опасных для здоровья, и их легче ремонтировать. Эксперты рекомендуют выбирать устройства, корпус которых изготовлен из стали, поскольку пластик имеет более короткий срок службы.
Бесщеточные дизельные генераторы более надежны.
Генерируемое ими напряжение более стабильно. Когда бак заполнен дизельным топливом, генератор может работать в среднем семь часов. Если устройство должно быть установлено стационарно, его можно заправлять из внешнего топливного бака.
Канал «Завод Тока» показал работу дизельного генератора, используемого для обеспечения электроэнергией частного дома.
Инверторные генераторы
Электроэнергия вырабатывается так же, как и в любой классической модели генератора. Прежде всего, генерируется переменный ток. Он корректируется и подается в инверторный блок, а затем снова преобразуется в переменный ток, но уже с необходимыми техническими параметрами.
В основе устройства лежит электронный модуль, который включает в себя следующее:
- выпрямительный узел;
- микропроцессорное устройство;
- преобразовательный механизм.
В зависимости от типа выходного напряжения инверторы можно разделить на следующие категории:
- Прямоугольные. Такой вид устройств считается наиболее дешевым. Его энергии хватит только для запитки электроинструментов и маломощных приборов.
- Устройства с трапецеидальным сигналом. Могут использоваться для питания большинства электроприборов, кроме высокочувствительной техники. Стоимость таких агрегатов средняя.
- Устройства, работающие с синусоидальным напряжением. Такие генераторы характеризуются стабильными характеристиками и подходят для большинства электрических приборов.
- Прямоугольные. Такой вид устройств считается наиболее дешевым. Его энергии хватит только для запитки электроинструментов и маломощных приборов.
- Устройства с трапецеидальным сигналом. Могут использоваться для питания большинства электроприборов, кроме высокочувствительной техники. Стоимость таких агрегатов средняя.
- Устройства, работающие с синусоидальным напряжением. Такие генераторы характеризуются стабильными характеристиками и подходят для большинства электрических приборов.
Инверторные устройства могут работать без перерыва или с перерывами. Объекты энергопотребления обычно представляют собой установки, в которых недопустимы перепады напряжения.
Основными преимуществами инверторных устройств являются:
- маленькие размеры и масса;
- низкий расход горючего в результате регулировки выработки определенного объема электричества, необходимого в конкретный момент времени;
- инверторные агрегаты могут функционировать в течение короткого временного интервала с перегрузкой.
- высокая стоимость устройств по сравнению с классическими вариантами генераторных установок;
- повышенная чувствительность к температурным изменениям в электронной составляющей;
- невысокий уровень мощности установки;
- дорогостоящий ремонт электронного модуля при его поломке.
Использование инверторов имеет смысл, если требуемая мощность не превышает 6 кВт. Если устройство будет использоваться постоянно, лучше выбрать классический тип.
Канал «Гараж Каховка» протестировал бензиновый генератор инверторного класса от производителя «Пилод».
Строение генератора переменного тока
Как устроен генератор, в принципе, понятно, но если сравнить его с соответствующим генератором для выработки постоянного тока, то не сразу понимаешь разницу.
Основные рабочие части и их подключение
Если вы читали предыдущий материал, то наверняка помните, что в простейшем виде рамка была соединена с коллектором, который был разделен на изолированные контактные пластины, а тот, в свою очередь, был соединен со щетками, которые шли вокруг него и через которые подключалась внешняя цепь.
Поскольку пластины коллектора постоянно меняют щетки, обратного хода тока не происходит — он просто пульсирует и движется в одном направлении, т.е. коллектор является выпрямителем.
Строительство и функционирование генератора
- 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.
Трехфазные генераторы и их конструкция
При увеличении числа пар полюсов пропорционально увеличивается и число полных изменений тока за один оборот якоря в генераторе, а его частота измеряется иначе, по формуле: f = np, где f — частота, n — число оборотов в секунду, а p — число 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 электромагнитного заряда происходит не только при движении проводника относительно магнитного поля, но и наоборот, когда само поле движется относительно проводника, что активно используется разработчиками 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.
Применение генераторов переменного тока на практике
Такие генераторы используются практически во всех областях человеческой деятельности, где требуется электричество. А принцип изготовления отличается только способом приведения в движение вала устройства. Так работают гидроэлектростанции, тепловые электростанции и даже атомные электростанции.
Эти станции питают общественные сети через кабели, к которым подключен конечный потребитель, т.е. все мы. Однако существует множество мест, которые невозможно обеспечить электроэнергией таким образом, например, транспортные средства, строительные площадки вдали от линий электропередач, очень отдаленные поселки, вахтовые бригады, буровые установки и так далее.
Это означает только одно: вам нужен собственный генератор и собственный двигатель для его работы. Давайте посмотрим на некоторые маленькие и повседневные устройства в нашей жизни.
Автомобильные генераторы
Некоторые могут сразу сказать: «Как? Это же генератор постоянного тока!». Да, это так, но причина в наличии выпрямителя, который делает тот же ток постоянным. Основной принцип тот же — тот же ротор, тот же электромагнит и так далее.
Он работает таким образом, что генерирует напряжение 12 В независимо от скорости вращения вала, которое подается от регулятора, через который питается обмотка возбуждения. Обмотка возбуждения запускается путем подачи тока от автомобильного аккумулятора, ротор устройства перемещается автомобильным двигателем по шкиву и индуцируется электромагнитное напряжение.
Для выпрямления трехфазного тока используются различные диоды.
Генератор на жидком топливе
Устройство бензинового генератора, как и дизельного, мало чем отличается от того, который установлен в вашем автомобиле, за исключением того нюанса, что он должен подавать ток, причем переменный.
Можно утверждать, что ротор генераторной установки должен всегда вращаться с одной скоростью, так как если она колеблется, производительность будет хуже. Это существенный недостаток таких устройств — подобное явление возникает при износе компонентов.
Интересно знать! Если генератор подключен к нагрузке, которая ниже рабочей, он не использует свою мощность оптимально и расходует часть жидкого топлива впустую.
На рынке представлен широкий спектр устройств для различных уровней мощности. Они очень популярны благодаря своей мобильности. Инструкция по эксплуатации проста: вы заливаете топливо своими руками, запускаете двигатель поворотом ключа и вставляете его в розетку…..
На этом история закончилась. Мы максимально просто разобрали назначение и общее устройство этих приборов. Мы надеемся, что генератор и принцип его работы стали вам немного ближе и что с нашей помощью вы захотите погрузиться в увлекательный мир электротехники.
