На современном рынке электрооборудования существует огромный выбор генераторов переменного тока. Модели различных систем электропитания с широким спектром мощности удовлетворят все требования потребителей.
Электрогенератор
Электрогенератор (в переводе с латинского — «производитель») — это устройство, которое производит электричество, т.е. преобразует механическую энергию в электрическую.
Благодаря изобретению генератора в середине 19 века промышленность и население получили реальную возможность вырабатывать и использовать электричество — например, для работы машин или освещения домов и улиц. Кстати, электродвигатели постоянного тока устроены почти так же, как генераторы. Когда якорь двигателя постоянного тока (например, электромобиля или другой игрушки) заставляют вращаться, он начинает вырабатывать электричество, подобно генератору.
Принцип работы первого генератора
В 1831 году английский ученый Майкл Фарадей открыл электромагнитную индукцию. Суть этого открытия заключалась в том, что электромагнитное поле создается, когда проводник вращается между полюсами магнита. Это поле стимулировало движение электронов, и в проводнике начал протекать электрический ток. Благодаря этому открытию удалось разработать электрогенератор и электродвигатель.
Как работает электрогенератор?
Работа электрогенератора заключается во взаимодействии статора, ротора и контактных колец. Статор останавливается при включении генератора переменного тока. Расстояние между статором и ротором составляет всего несколько миллиметров, поэтому между ними создается очень сильное магнитное поле, а в обмотке ротора возникает мощный электрический ток. Обмотка статора превращается в электромагнит при подаче напряжения от внешнего источника.
Ротор соединен с валом механического устройства (двигателя внутреннего сгорания, ветряной или водяной машины и т.д.) и вращается во время работы генератора. Во время движения катушка ротора постоянно находится в контакте с магнитным полем, создаваемым катушками статора, в котором генерируется электрический ток.
Такая конструкция исключает необходимость использования больших и тяжелых постоянных магнитов. Контактные кольца предназначены для отбора тока от обмоток ротора. Они состоят из барабана с несколькими медными пластинами, к которым прикреплены обмотки ротора. Снаружи прикреплены графитовые щетки, к которым через кабели подключен потребитель тока.
История и эволюция
Открытие законов электромагнитной индукции Майклом Фарадеем в 1831 году послужило основой для создания электродвигателей. Однако до появления электрического света не было необходимости в коммерциализации технологии. Ранние потребители электричества, такие как телеграф, использовали гальванические батареи в качестве источника питания. Это был очень дорогой способ выработки электроэнергии.
В конце 19 века многие изобретатели пытались применить принцип индукции Фарадея для механического получения электричества. Важными открытиями стали разработка динамо-машины Вернером фон Сименсом и создание функциональных моделей генераторов Теофила Грамма Ипполитом Фонтеном. Первые устройства использовались в сочетании с дуговыми устройствами наружного применения, известными как свечи Яблочкова.
На смену им пришла весьма успешная система ламп накаливания Томаса Эдисона. Его коммерческие электростанции были основаны на мощных генераторах, но схема, основанная на генерации постоянного тока, была непригодна для распределения электроэнергии на большие расстояния из-за резких тепловых потерь.
Никола Тесла разработал как усовершенствованный генератор, так и практичный асинхронный двигатель. Эти электрические машины, вместе с повышающими и понижающими трансформаторами, стали основой для создания больших распределительных сетей с мощными электростанциями. В больших системах переменного тока затраты на производство и передачу электроэнергии были во много раз ниже, чем в системе Эдисона, что стимулировало спрос на электроэнергию и, соответственно, дальнейшее развитие электрических машин. Наиболее важными датами в истории генераторов можно считать:
- 1820 г. — Андре-Мари Ампер обнаружил, что электрический ток воздействует на магнитное поле;
- 1832 г. — создание Фарадеем простейшего униполярного генератора;
- 1849 г. — первое применение для питания дуговых ламп маяков;
- 1866 г. — одновременное открытие несколькими изобретателями динамоэлектрического принципа;
- 1891 г. — демонстрация коммерческой машины для производства многофазного напряжения;
- 1895 г. — запущена гидроэлектростанция на Ниагаре.
Принцип работы
Генераторы, основанные на принципе электромагнитной индукции, не вырабатывают электричество. Они используют механическую энергию только для приведения в движение электрических зарядов, которые всегда присутствуют в проводниках. Принцип работы генератора электроэнергии можно сравнить с водяным насосом, который заставляет воду течь, но не производит воду в трубах. Подавляющее большинство индукционных генераторов представляют собой вращающиеся электрические машины, состоящие из двух основных элементов:
- статор (неподвижная часть);
- ротор (вращающаяся часть).
Простая электрическая машина, состоящая из катушки проволоки и U-образного магнита, может быть использована для иллюстрации работы электрического генератора. Основные элементы этой модели следующие
- магнитное поле;
- движение проводника в магнитном поле.
Магнитное поле — это область вокруг магнита, в которой ощущается его сила. Чтобы лучше понять, как работает эта модель, можно представить, что силовые линии начинаются от северного полюса магнита и возвращаются к южному полюсу. Чем сильнее магнит, тем больше силовых линий он генерирует. Когда катушка начинает вращаться между полюсами, обе стороны катушки начинают пересекать воображаемые магнитные линии. Это приводит электроны в движение в проводнике (генерация тока).
Согласно правилу правой руки, при вращении катушки в ней индуцируется ток, который меняет направление каждые пол-оборота, поскольку силовые линии на сторонах катушки пересекаются сначала в одном, а затем в другом направлении. При каждом обороте катушка дважды проходит через положения (параллельные полюсам), в которых электромагнитная индукция отсутствует. Таким образом, простой генератор действует как электродвигатель, вырабатывающий переменный ток. Генерируемое напряжение может быть изменено:
- силы магнитного поля;
- скорости вращения витка;
- количества витков провода, пересекающих силовые линии магнитного поля.
Катушка с проводником, вращающаяся между полюсами магнита, производит еще один важный эффект. Когда ток течет в катушке, он создает электромагнитное поле, обратное полю постоянного магнита. И чем больше ток, индуцированный в катушке, тем сильнее магнитное поле и тем больше сопротивление вращению проводника. Та же магнитная сила на катушках приводит в движение ротор электродвигателя, что означает, что при определенных условиях генераторы могут работать как двигатели и наоборот.
Особенности генераторов AC
Описанный выше генератор переменного тока (AC) вырабатывает переменный ток. Для того чтобы генерируемый ток мог быть использован, он должен быть доставлен к потребителям каким-либо способом. Это достигается за счет контактной схемы на валу, состоящей из вращающихся колец и скользящих по ним неподвижных угольных сегментов, называемых щетками. Каждый конец вращающегося проводника соединен с соответствующим кольцом, и ток, возникающий таким образом в катушке, передается на нагрузку через кольца и щетки.
Строение промышленных машин
Практичные генераторы переменного тока отличаются от более простых. Обычно они имеют возбудитель, вспомогательный генератор, который подает постоянный ток на электромагниты, создающие магнитное поле в генераторе.
Вместо катушки в простейшей модели практические устройства оснащены обмотками из медной проволоки, а роль магнита играют катушки в железных сердечниках. В большинстве генераторов переменного тока электромагниты, создающие переменное поле, находятся в роторе, а ток индуцируется в катушках статора.
В этих устройствах коллектор используется для передачи постоянного тока от возбудителя к магнитам. Это значительно упрощает конструкцию, так как дешевле пропускать слабые токи через щетки и получать высокие напряжения от неподвижных обмоток статора.
Применение в сетях
В некоторых машинах количество секций обмотки соответствует количеству электромагнитов. Однако большинство генераторов переменного тока имеют три комплекта катушек для каждого полюса. Эти машины вырабатывают три электрических тока и называются трехфазными. Их удельная мощность намного выше, чем у однофазных машин.
На электростанциях генераторы переменного тока используются в качестве преобразователей механической энергии в электрическую. Это связано с тем, что напряжение переменного тока можно легко увеличить или уменьшить с помощью трансформатора. Большие генераторы вырабатывают напряжение около 20 000 вольт. Затем она увеличивается более чем на порядок, чтобы иметь возможность транспортировать электроэнергию на большие расстояния. В месте потребления электроэнергии серия понижающих трансформаторов создает напряжение, пригодное для использования.
Принцип работы любого электрического генератора
Принцип работы любого электрогенератора основан на явлении электромагнитной индукции. Электромагнитная индукция преобразует механическую энергию двигателя (вращение0) в электрическую. Принцип магнитной индукции: Если рамка равномерно вращается в однородном магнитном поле B, в рамке возникает переменная ЭДС, частота которой равна частоте вращения рамки. Независимо от того, вращаем ли мы рамку внутри магнитного поля, магнитное поле вокруг рамки или магнитное поле внутри рамки, результат один и тот же — Э.Д.С. изменяется по гармоническому закону.
Давайте теперь более подробно поговорим об асинхронных и синхронных осцилляторах.
Синхронный электрогенератор
Синхронный генератор — это синхронная машина, работающая в режиме генератора, где скорость вращения магнитного поля статора равна скорости вращения ротора. Ротор с его магнитными полюсами создает вращающееся магнитное поле, которое путем перекрещивания индуцирует электромагнитное напряжение в обмотке статора. В современном генераторе переменного тока ротор выполнен в виде постоянного магнита или электромагнита.
Количество курсорных столбов может быть два, четыре и т.д., но кратно двум. В бытовых генераторных установках обычно используется двухполюсный ротор, поэтому двигатель генераторной установки работает со скоростью 3000 об/мин. При запуске генератора ротор создает слабое магнитное поле, но по мере увеличения скорости вращения ЭЭД в обмотке возбуждения возрастает. Напряжение этой обмотки подается на ротор через AVR (автоматический регулятор), и выходное напряжение регулируется с изменением магнитного поля. Например, подключенная индуктивная нагрузка размагничивает генератор и уменьшает напряжение, а подключенная емкостная нагрузка намагничивает генератор и увеличивает напряжение. Это так называемая реакция якоря.
Для достижения стабильного выходного напряжения магнитное поле ротора должно изменяться путем регулировки тока якоря, что и делает регулятор. Хотя это имеет преимущество в виде высокой стабильности выходного напряжения, недостатком является возможность перегрузки по току, так как AVR может чрезмерно увеличить ток ротора, если нагрузка слишком велика. Еще одним недостатком синхронного генератора является наличие щеточного узла, который рано или поздно необходимо обслуживать. Благодаря этому методу управления, стабильность выходного напряжения генератора остается очень высокой — около ±1 %, независимо от изменений тока нагрузки и скорости вращения двигателя генератора.
Асинхронный электрогенератор
Асинхронный генератор — это асинхронная машина (двигатель), работающая в режиме торможения, ротор которой вращается с опережением, но в том же направлении, что и магнитное поле статора. В зависимости от типа обмотки ротор может быть короткозамкнутым или находиться вне фазы.
Вращающееся магнитное поле, создаваемое вспомогательной обмоткой статора, индуцирует магнитное поле в роторе, который, вращаясь вместе с ротором, индуцирует ЭЭД в рабочей обмотке статора, аналогично синхронному генератору. Вращающееся магнитное поле остается постоянным и не регулируется, поэтому напряжение и частота на выходе генератора зависят от скорости вращения ротора и, следовательно, от стабильности работы двигателя генератора.
Несмотря на простоту обслуживания, низкую чувствительность к коротким замыканиям и низкую стоимость, асинхронные генераторы используются редко, поскольку имеют ряд недостатков: Асинхронный генератор всегда потребляет намагничивающий ток значительной величины, поэтому необходим источник реактивной мощности (конденсаторы), которая зависит от активно-индуктивного характера нагрузки; ненадежная работа в экстремальных условиях; возбуждение асинхронного генератора зависит от случайных факторов и, как правило, происходит со скоростью.
Привод генераторов переменного тока
В нормальных условиях эксплуатации ротор генератора приводится в движение двигателями внутреннего сгорания, работающими на таких видах топлива, как бензин или дизельное топливо. Например, срок службы бензиновых генераторов с двухтактными двигателями внутреннего сгорания составляет около 500 часов в год (не более 4 часов в день); четырехтактный двигатель внутреннего сгорания достигает 5000 часов в год.
Использование бензиновых генераторов подходит для кратковременного отключения электроэнергии и/или для поездок на природу.
Дизельные генераторы мощные и гораздо более долговечные, чем бензиновые. Эти генераторы бывают с воздушным или жидкостным охлаждением. Генераторы с воздушным охлаждением следует использовать там, где происходят частые и длительные отключения электроэнергии.
Эти бытовые приборы просты в эксплуатации — достаточно заполнить бак топливом, повернуть ключ для запуска двигателя и подключить нагрузку. Их панель управления оснащена всеми необходимыми и интуитивно понятными надписями и обозначениями.
Дизельные генераторы с водяным охлаждением относятся к другой категории. Они способны работать 24 часа в сутки и в основном используются на заводах в качестве резервного источника питания.
Промышленные генераторы, предназначенные для выработки переменного тока и доставки его потребителям на большие расстояния по высоковольтным линиям электропередачи (ЛЭП), работают путем приведения в действие гидравлических или паровых турбин. В этих установках механизм ротора напрямую соединен с турбинным колесом.
Ветровые турбины очень мощные (до 100 000 кВт) и могут вырабатывать переменный ток до 16 кВ. Длина и диаметр ротора могут достигать 6,5 и 15 метров соответственно, а скорость вращения составляет от 1500 до 3000 об/мин. Эти машины устанавливаются в отдельных помещениях на специально подготовленных бетонных основаниях.
Опции и возможности бытовых электрогенераторов
Для облегчения использования производители оснащают свои изделия рядом полезных опций, некоторые из которых мы хотели бы выделить:
- устройство автоматического запуска агрегата при отключении электроэнергии;
- наличие встроенного УЗО, отключающего устройство от электросети при пробое изоляции и появлении тока утечки;
- контроль параметров и отображение их на дисплее;
- защита от перегрузки.
Когда к генератору подключается нагрузка ниже номинальной, устройство «расходует» часть жидкого топлива, не используя весь свой потенциал.
Не лишними будут специальный шумопоглощающий кожух, увеличенный топливный бак, кожух для защиты устройства от низких температур и т.д.
Особенности установки
Перед покупкой генератора потенциальный владелец должен убедиться, что он сможет подготовить площадку для его установки. Независимо от того, где будет установлено устройство — в помещении или на улице, — для него необходима ровная и устойчивая поверхность. Установка генератора на неровной поверхности приведет к повышенной вибрации, что может ускорить износ и привести к повреждению дорогостоящего агрегата.
При установке генератора в помещении обеспечьте достаточную вентиляцию. Также рекомендуется оставлять дверь в помещение открытой, когда устройство работает. Затем на дверь необходимо установить решетку, чтобы предотвратить доступ посторонних, особенно детей, в опасную зону.
Генератор должен быть подключен к электросети в соответствии с требованиями инструкции по эксплуатации. Силовой кабель должен быть подключен после автоматического выключателя и счетчика электроэнергии.
