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:
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;
Принцип работы простейшего генератора
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 принцип электромагнитной индукции, когда происходит наводка электрического тока в замкнутой рамке за счет пересечения ее вращающимся магнитным полем, которое создается постоянными магнитами 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 магнитопровода. Это позволяет сокращать потери наводимого электромагнитного поля.
Конструктивные особенности генераторов постоянного тока
Основными элементами устройства являются:
внешняя силовая рама;
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:
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
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:
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
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:
Асинхронные генераторы могут иметь:
1. независимое возбуждение;
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.
Электричество играет важную роль в жизни человека. Кроме того, его можно преобразовать в любой вид энергии. Однако бывают моменты, когда его отключают, и это очень влияет на комфорт. Для того чтобы этого не произошло, применяют устройства — генераторы тока. Основной принцип работы генератора переменного тока состоит в преобразовании энергий (механической в электрическую).
Общие сведения
С ростом научного прогресса и получением электрического тока, являющимся одним из основных видов энергии, жизнь человека стала намного комфортнее. Ведь благодаря ему, а точнее, его работе, приводятся в движение различные механизмы, освещаются и обогреваются помещения и так далее.
Ток в проводнике появляется за счёт электродвижущей силы (ЭДС), заставляющей перемещаться частицы, несущие заряд в проводнике. Если проводник испытывает воздействие магнитного поля, то это явление называется электромагнитной индукцией.
Иными словами, если соблюдается следующее условие: двигается проводник в магнитном поле или электромагнитное поле совершает движение вокруг проводника, то в последнем появляется электрический ток. В результате этого явления были созданы трансформаторы, электродвигатели и генераторы.
В современных генераторах этот контур содержит минимум три обмотки, необходимые для создания большей ЭДС. Для чёткого понимания предназначения и процессов, протекающих при преобразовании электроэнергии, нужно ознакомиться с устройством и принципом действия генератора (ЭГ).
Устройство генератора
Практически все они похожи по своему устройству, но есть некоторые отличия — это способ приведения механической части в движение (рисунок 1).
Он состоит из основных узлов:
- корпус;
- статор;
- ротор, или якорь;
- коробка коммутации.
Рисунок 1. Генератор в разрезе
Корпус, выполняющий функцию рамы, служит для крепления всех основных частей. Кроме того, в нём устанавливаются подшипники, необходимые для плавного вращения вала и увеличения срока службы устройства. Корпус изготавливают из прочного металла, а также он служит для защиты внутренних частей машины от внешних повреждений.
Статор имеет магнитные полюса, представленные в виде закреплённой обмотки для возбуждения магнитного потока Ф. Выполняется из спецстали, которая называется ферромагнитной. Ротор является подвижной частью, причем его приводит в движение какая-либо сила. В результате на якоре (роторе) образуется разность потенциалов или напряжение (U). Узел (коробка) коммутации, необходим для отведения электричества от ротора. Он состоит из проводящих колец, соединённых с графитовыми токосъёмными контактами.
Принцип действия
Закон электромагнитной индукции является основным принципом действия генератора переменного тока. Устройство и принцип работы практически одинаковы для всех типов. Происходит индукция, в результате которой появляется ЭДС в контуре, при вращении в однородном магнитном поле. Это магнитное поле вращается.
Работает генератор переменного тока следующим образом:
- ротор является магнитом, передающим при вращении магнитное поле в обмотки статора;
- статор представляет собой катушки, к которым подведены провода для съёма электрической энергии;
- при возникновении U происходит его съём.
Кольца выполняются из медного проводника, вращаются с ротором и валом одновременно. Щётки служат для передачи тока с вала на кольца. Разновидностей очень много и, следовательно, их можно классифицировать по следующим признакам:
- конструктивный план;
- метод возбуждения;
- количество фаз: однофазные, двухфазные и трёхфазные;
- тип соединения обмоток статора.
По конструктивному плану бывают с неподвижными полюсами и якорем (он вращается) и, наоборот, с вращающимися магнитными полюсами (якорь остаётся неподвижным). Последний вид получил широкое распространение, благодаря получению большего тока. При вращении ротора, полюсные наконечники которого имеют минимальный зазор между статором для создания максимального Ф, происходит генерация ЭДС в витках статорной катушки. Наконечники подбираются такой формы, чтобы U было близко к синусоидальному.
По методу возбуждения также делятся на подвиды.
- Обмотки питаются постоянным током (независимое возбуждение). Эта модель приводится в действие при помощи другого генератора.
- Питается своим же выпрямленным током (с самовозбуждением).
- Возбуждение от постоянных магнитов.
Наиболее часто применяется соединение звездой и нейтральный провод, который выполняет роль компенсатора фазовых перекосов. Кроме того, нулевой провод позволяет исключить постоянную составляющую при возникновении вредоносных кольцевых токов (далее I), снижающих мощность и влияющих на нагрев.
Очень распространён инверторный тип ЭГ. Он представляет собой автономный источник питания, который производит качественную электрическую энергию. Применяется практически везде и является очень надежным источником питания, при котором отсутствуют любые скачки U. Основной принцип действия:
- вырабатывается переменный высококачественный ток, который при помощи диодного моста выпрямляется;
- постоянный ток накапливается в аккумуляторах;
- из аккумуляторов при помощи инвертора происходит преобразование в переменный стабилизированный ток.
Ещё одним отличным и долговечным вариантом является дизельный ЭГ, преобразующий энергию топлива в электрическую. Топливо сгорает и преобразовывается из химического вида энергии в тепловую. Затем тепловая энергия преобразовывается в механическую. Затем происходит трансформация по старой схеме: механическая энергия в электрическую.
В синхронном ЭГ ротор выполняет роль постоянного магнита с полюсами, число которых колеблется от 2 и более. Однако должна соблюдаться кратность 2. Во время запуска ротор генерирует слабое электромагнитное поле, но в процессе увеличения частоты вращения появляется ток в обмотке возбуждения. Во время этого процесса появляется U, поступающее на устройство, контролирующее его значение при изменении электромагнитного поля. Генераторы синхронного типа отлично зарекомендовали себя благодаря стабильно вырабатываемому U. Однако у них есть существенный недостаток — возможна перегрузка по току, а также наличие щёточного узла, который приходится иногда обслуживать.
Принцип работы ЭГ асинхронного типа основан на постоянном нахождении в режиме «торможения с подвижной частью», вращающейся с опережением. Ротор бывает фазным и короткозамкнутым. Вспомогательное магнитное поле создаётся при помощи обмотки возбуждения и продолжает индуцироваться в роторе. От количества оборотов зависит частота тока и U.
Очень интересным источником электричества является электрохимический генератор. Энергия электрического типа получается из водорода. Он является химическим источником тока, так как проходит реакция этого типа взаимодействия молекул кислорода и водорода.
Кроме того, при использовании ЭГ нужно совместно с ними применять и устройства, регулирующие параметры U и частоты. Принцип работы устройства заключается в поддержании постоянных значений U и других параметров электроэнергии для качественного питания потребителей. Регулятор также защищает генератор от перегрузок и аварийного режима. При возникновении аварийной ситуации при наличии регулятора, генератор не запустится и останется в выключенном состоянии. Это возможно при КЗ в цепи потребителей. Эти приборы улавливают U, частоту и I, а также Ф.
Вывод
Таким образом, существует огромное количество видов генераторов переменного тока, которые используются в той или иной жизненной ситуации. Они обладают всевозможными видами защиты от перегрузок, перегрева, токов КЗ. Основной принцип работы заключается в преобразовании энергии различного типа в электрическую.
Преобразование механической энергии в электрическую происходит при помощи генератора тока. В основном, практикуется использование вращающихся электромашинных генераторов. При вращении, в проводнике возникает электродвижущая сила под действием изменяющегося магнитного поля. Часть генератора, создающая магнитное поле, называется индуктором, а та часть, где образуется электродвижущая сила, носит название якоря.
Принцип действия
Вращающаяся часть генератора называется ротором, а его неподвижная часть является статором. Генератор переменного тока имеет статор и ротор, которые по своей конструкции могут быть одновременно якорем и индуктором.
Практически, всю электроэнергию на мировых электростанциях производят электрогенераторы переменного тока. При вращении индуктора, создается магнитное поле, которое вращается и наводит в обмотке статора переменную электродвижущую силу. Ее частота полностью совпадает с частотой вращения ротора.
Элементы генератора
В состав магнитной системы статора входят тонкие стальные листы, спрессованные в пакет. В пазах этого пакета размещается обмотка статора. Она включает в себя три фазы, сдвинутые относительно друг друга на одну третью часть периметра статора. Электродвижущие силы, индуцированные в обмотках фаз, так же сдвинуты между собой на 1200. Каждая фаза имеет обмотку, состоящую из катушек с множеством витков, соединяемых между собой параллельно или последовательно. Части катушек, выступающие из пазов, носят название лобовых соединений статора.
В индукторе и статоре, количество полюсов может быть и более двух. Количество полюсов полностью зависит от частоты вращения ротора. При замедлении вращения ротора может иметь возрастающее число полюсов.
Массивный стальной сердечник ротора содержит в себе обмотку возбуждения генератора. Данная конструкция применяется для электрогенераторов переменного тока, работающих с высокой частотой вращения. Это вызвано тем, что при высоких скоростях вращения, обмотка ротора подвержена действию больших центробежных сил. Большое количество полюсов предполагает наличие отдельной обмотки возбуждения у каждого полюса, что характерно для электрогенераторов, работающих на малых скоростях.
В гидротурбинах генераторы переменного тока могут иметь конструкцию с вертикальным расположением вала. При работе в зависимости от мощности, может применяться воздушное, водородное, водяное или масляное охлаждение.
