Генераторы напряжение принципы действия

Устройство генератора тока

Приветствую всех на нашем сайте. Сегодня мы поговорим об устройстве генератора тока. Попробуем максимально охватить данную тему и рассмотреть устройство генераторов постоянного и переменного токов.

На самом деле, не совсем верно называть это устройство генератором именно переменного или постоянного тока, поскольку, ток возникает только в замкнутом контуре. В общем, в обмотках генератора возникает ЭДС, а не ток. Ток начинает протекать только тогда, когда к обмоткам подключается какой-либо потребитель. Однако, в этой статье мы будем пользоваться устоявшимися понятиями.

Какие бы ни были электрические генераторы основной их принцип – выработка электрической энергии за счёт вращения обмотки в магнитном поле. Это значит, что можно выделить два схематических вида генераторов: либо мы вращаем магнитное поле в неподвижном проводнике, либо вращаем проводник в неподвижном магнитном поле.

Содержание:

Устройство генератора переменного тока

Итак, относительно устройства генератора переменного тока и принципа его действия.

Наибольшее распространение получили генераторы переменного тока с неподвижным проводником. Обусловлено это тем, что ток возбуждения по отношению к току, который получают с генератора, небольшой. Если посмотрите на картинку, то увидите два кольца, по которым протекает ток обмотки возбуждения и это слабое звено любого генератора с обмоткой возбуждения. То есть, либо по кольцам через щётки мы подаем небольшой ток возбуждения, либо через кольца снимаем большой рабочий ток. В электричестве неподвижная часть генераторов или двигателей, на которой находится обмотка, называется статором. Подвижная часть может называться ротором или якорем.

Основные виды генераторов переменного тока

Видов генераторов довольно много. Попробуем классифицировать их по основным направлениям.

• По виду используемой энергии:
  • Энергия ветра
  • Энергия газа
  • Энергия жидкого топлива
  • Энергия тепла
  • Энергия воды
  • Однофазный
  • Трёхфазный
  • Синхронный
  • Асинхронный
  • По количеству полюсов статорной обмотки

  Есть и другие типы, но они менее распространены.

  • По типу возбуждения:
    • Независимое возбуждение. В этом случае на одном валу с генератором переменного тока находится еще и генератор постоянного тока, который питает только обмотку возбуждения. Возбуждение в таком случае может выполняться и любым другим источником тока, например, аккумулятором.
    • Самовозбуждение. В этом случае, напряжение для обмотки возбуждения получают непосредственно с используемого генератора.
    • Возбуждение с помощью магнитов, которые располагаются на статоре или на якоре, что значительно упрощает устройство генератора, но с помощью такого способа получить мощные генераторы не получится.

    Синхронный генератор : схема, устройство, принцип работы

    Что значит синхронный по отношению к двигателю или генератору? Если совсем просто, то частота переменного тока жёстко зависит от скорости вращения ротора электрической машины и наоборот. Таким образом, можно относительно легко контролировать частоту переменного тока. Сам по себе синхронный генератор имеет ряд преимуществ, благодаря которым стал наиболее распространенным. Скажу вам по большому секрету, именно синхронные генераторы используются на всех станциях, где производят электричество.

    

    Приводным двигателем (на схеме обозначен как ПД) может выступать любое вращающее устройство: двигатель, турбина, крыльчатка ветряной мельницы или водяного колеса. На одном валу с ПД находится ротор генератора с обмоткой возбуждения. На обмотку подается постоянное напряжение и вокруг обмотки образуется магнитное поле. Когда ротор вращается, в обмотках статора возникает ЭДС, то есть появляется напряжение, только уже переменное, частота которого зависит от скорости вращения ротора n₁ и количества пар полюсов p. Частоту ЭДС можно высчитать по формуле.

    Асинхронный генератор: схема, устройство, принцип работы

    

    Устройство асинхронного генератора

    Асинхронный генератор, это, по сути, асинхронный двигатель. То есть, любой асинхронный двигатель можно перевести в режим генерации энергии и наоборот. Конструктивно, устройство, которое называют генератором, выполнено таким образом, чтобы иметь хорошее охлаждение. Глубоко останавливаться на принципе действия асинхронных машин не будем, но вкратце расскажу, почему их называют асинхронными на примере двигателя.

    

    Когда на обмотки статора подается напряжение, образуется магнитное поле, у трёхфазных двигателей оно круговое, у однофазных эллипсообразное, стремящееся к круговому. Магнитное поле начинает пересекать витки обмотки статора. В короткозамкнутой обмотке ротора возникает ЭДС, то есть напряжение, а поскольку обмотка короткозамкнутая, по ней начинает протекать ток, который тоже создает магнитное поле. Взаимодействие этих магнитных полей приводит ротор в движение. Что будет, если скорость ротора станет равна скорости магнитного поля, создаваемого статором? Правильно, магнитное поле статора перестанет пересекать обмотку ротора. Это можно сравнить с тем, что две машины двигаются на одинаковой скорости. Вроде бы машины двигаются, но при этом по отношению друг к другу они словно стоят на месте, просто земля с большой скоростью проносится под машинами. Так вот, как только скорость ротора и скорость магнитного поля статора станут одинаковыми, в обмотке ротора перестанет вырабатываться ЭДС, прекратится взаимодействие магнитных полей статора и ротора и ротор начнёт останавливаться. Поэтому скорость вращения ротора асинхронного двигателя всегда несколько меньше скорости вращения магнитного поля статора и эта величина называется скольжение.

    Так вот, чтобы асинхронный двигатель стал генератором, надо определить скольжение и увеличить скорость вращения ротора на эту величину. Допустим, мы имеем однополюсный трехфазный асинхронный двигатель со скоростью вращения вала 2800 оборотов. Если бы такой двигатель был синхронным, скорость вращения составила бы 3000 оборотов. То есть скольжение составляет 200 оборотов в минуту. Это значит, что если мы начнём вращать ротор со скоростью 3200 оборотов в минуту, то двигатель перейдёт в генераторный режим и будет уже не потреблять, а вырабатывать ЭДС.

    Сложность применения таких генераторов в том, что они подвержены провалам. Например, если включить активную нагрузку (лампочку накаливания или нагреватель), пусковой ток будет небольшим. Значительной перегрузки не произойдет, и генератор будет работать стабильно. Если же включить реактивную нагрузку, например, двигатель, то будет большой пусковой ток, превышающий номинальный в 5-20 раз, который «провалит» генератор, то есть вызовет резкое падение напряжения на обмотках генератора. После такого провала асинхронный генератор снова нужно возбуждать. Так что, простота асинхронного генератора перевешивается серьезным недостатком.

    Ну и еще нужна конденсаторная установка для возбуждения короткозамкнутой обмотки ротора. Если подобрать неверно ёмкость конденсаторов, то в случае «недобора» от генератора мы получим меньше тока, а в случае «перебора», наш генератор будет сильно перегреваться.

    Схемы подключения

    Собственно, даже не схемы включения, а варианты. Их, как правило, три:

    • Автоматическое включение. В этом случае устанавливается специальный блок аварийного включения. Как только отключают напряжение в сети, блок подаёт команду на запуск генератора и переключает сеть с внешнего источника питания, на генераторную установку.
    • Ручное включение. В этом случае, пользователь сам проводит операцию переключения с внешнего источника питания на генераторную установку и вручную запускает генератор.
    • Синхронная работа. Такой режим, в основном используется на крупных станциях, генераторы которых объединены в одну сеть. Все генераторы этой сети работают синхронно, с одной частотой, с одной очерёдностью фаз и с одинаковым напряжением на обмотках статора.

    Однофазный генератор

    Здесь я подробно останавливаться не буду. Такие устройства сейчас можно встретить в любом магазине инструментов. Если однофазный генератор используется как запасной источник электроэнергии, то подключается к домовой сети, как правило, посредством рубильника. То есть, одновременно внешний источник питания и генератор на одну сеть не могут – либо то, либо другое. Во-первых, незачем, во-вторых, это сильно усложнило бы и увеличило стоимость бытовых генераторов. Единственное, на чём могу здесь остановиться, это включение однофазного генератора в трёхфазную сеть.

    

    Включение однофазного генератора в трёхфазную сеть

    Однако у такого метода есть свой недостаток. Трёхфазные двигатели в такой сети работать не будут, если же их включить, то очень быстро нагреются и выйдут из строя.

    Трехфазный генератор

    Трёхфазные генераторы могут быть бытовыми и промышленными. Устройство генератора трёхфазного тока в бытовом варианте практически ничем не отличается от однофазного, как и схема включения. Единственное условие при включении бытового генератора в сеть, если в такой сети имеются трёхфазные двигатели – соблюдать очередность фаз. В случае же, если нагрузка в доме однофазная, то такой предосторожностью можно пренебречь.

    Устройство генератора трёхфазного тока в промышленном варианте – это устройство, оснащенное автоматическим пуском и иногда может быть оснащено устройством синхронизации. Подключение таких генераторов лучше доверить специалистам.

    Ну а бытовой генератор точно так же, как и однофазный включается в сеть через рубильник. Следовательно, в зависимости от положения рубильника работает либо внешний источник питания, либо генератор.
    

    Устройство генератора постоянного тока

    Чтобы узнать, что такое генератор постоянного тока, устройство и принцип действия вернёмся немного назад. Мы уже выяснили, как работает генератор переменного тока. Давайте подробнее рассмотрим процесс возникновения ЭДС. Поскольку ротор вращается, у нас есть цикл равный одному обороту ротора или 360°. Давайте узнаем, что происходит в этом цикле:

    • 0° — ЭДС =0
    • 90° — ЭДС достигает максимального значения со знаком «+»
    • 180° — ЭДС снова равна 0
    • 270° — ЭДС достигает пикового значения со знаком «-»

    Как же сделать так, чтобы не менялась полярность напряжения? Великие умы придумали следующее – применить коллектор, то есть, снимать напряжение только нужной полярности. Помните, мы говорили, что в генераторе переменного тока, рабочей является обмотка статора, а на роторе находится обмотка возбуждения. Так вот, в генераторе постоянного тока напряжение снимается только с ротора, который называется якорем.

    

    Схема генератора постоянного тока

    Если такой генератор будет иметь только одну пару полюсов, как на картинке, то мы получим пульсирующее постоянное напряжение, где частота будет в два раза больше скорости вращения. То есть, если скорость вращения будет 50 оборотов в секунду, то частота пульсации будет 100 Гц. Чтобы снизить пульсацию напряжения увеличивают количество пар полюсов.

    

    С момента изобретения генератора постоянного тока схематично и по принципу действия он практически не изменился, изменилась лишь технология изготовления и сейчас он выглядит так:

    

    Основные виды генераторов постоянного тока

    В настоящее время набирают популярность двигатели постоянного тока без коллектора. Возможен ли вариант бесколлекторного генератора? К сожалению, пока решить эту задачу не удалось. Так что, если вы где-то увидите название «Бесколлекторный генератор постоянного тока», знайте, что это генератор переменного тока с выпрямительным блоком.

    По этой причине, генераторы постоянного тока характеризуют только по типу возбуждения:

    • Генераторы, возбуждаемые магнитами. Большую мощность такие генераторы развить не могут, поэтому нашли применение только там, где требуются небольшие мощности. Ну и, конечно же, применение магнитов ощутимо удешевляет стоимость таких генераторов.
    • Независимое возбуждение. Точно так же, как и у генераторов переменного тока, для возбуждения применяется внешний источник питания, не связанный с генератором.
    • Зависимое возбуждение, которое делится на три типа:
      • Параллельное возбуждение. Как можно понять из названия, обмотка возбуждения в таком генераторе подключена параллельно обмотке якоря. Иногда такой вид возбуждения называют шунтовый.
      • Последовательное возбуждение. Здесь обмотка возбуждения подключается как гирлянда, последовательно обмотке якоря. Такой вид иногда называют сериесным.
      • Смешанное возбуждение или компаундное. Обмотка возбуждения таких генераторов состоит из двух частей, первая подключается шунтовым методом, вторая сериесным.

      Генераторы с независимым возбуждением: схема, устройство, принцип работы

      

      Схема генератора независимого возбуждения

      Принцип работы этого генератора довольно прост. Однако простота генератора является его же недостатком – он требует внешнего независимого источника питания. Якорь генератора разгоняют до необходимой скорости, затем с помощью реостата начинают возбуждать генератор. На обмотках якоря возникает ЭДС и при подключении нагрузки начинает протекать ток.

      Нагрузочная способность такого генератора очень хорошая. Как правило, разница между напряжением холостого хода, когда нагрузка не подключена и напряжением при номинальной нагрузке генератора, когда потребитель загружает полностью – составляет всего 5-10%.

      Преимущество генератора с независимым возбуждением ещё и в том, что его можно запускать под нагрузкой, то есть, с присоединенными электроприборами.

      Генераторы с параллельным возбуждением: схема, устройство, принцип работы

      

      Схема генератора параллельного возбуждения

      У генератора с параллельным включением обмотки возбуждения, в принципе, тоже неплохие нагрузочные характеристики, хотя и несколько хуже, чем у схем с независимым возбуждением – 10-30%. У схем с зависимым возбуждением есть одна особенность, для того, чтобы произошло возбуждение, металл генератора должен иметь остаточную намагниченность. Достаточно 2-3% остаточной намагниченности чтобы запустился процесс самовозбуждения. Конечно же, при этом направление обмотки возбуждения должно совпадать с направлением поля остаточной намагниченности.

      Якорь генератора раскручивают до номинальных оборотов, за счет остаточного намагничивания происходит самовозбуждение, то есть, в контуре генератор-обмотка возбуждения появляется ЭДС, появляется небольшой ток. Он увеличивает ЭДС, следовательно, ток снова увеличивается и так происходит до тех пор, пока не будет достигнут баланс между падением напряжения в обмотке генератора и падением напряжения в обмотке возбуждения.

      В работе генератора есть одна особенность. Если плавно увеличивать нагрузку вплоть до короткого замыкания, то в какой-то момент мощность генератора достигнет пиковых значений, затем пойдет на спад. По сути, если в момент номинальной загрузки генератора устроить короткое замыкание, то ничего страшного не произойдет. Но если это сделать при небольшой нагрузке, то ток короткого замыкания достигает критических значений 8-10 I_н, а значит, такие генераторы крайне настоятельно рекомендуется защищать от короткого замыкания любым доступным способом.

      Такие генераторы получили наибольшее распространение, поскольку не требуют внешних источников питания, имеют неплохую нагрузочную способность и позволяют контролировать ток возбуждения.

      Генераторы с последовательным возбуждением: схема, устройство, принцип работы

      

      Схема генератора последовательного возбуждения

      Поскольку ток обмотки возбуждения в данном случае равен току в цепи, а значит, достигает больших значений, обмотка возбуждения выполняется толстым проводом и имеет меньшее количество витков, чем в предыдущих двух схемах. Принцип работы такой же, как и у предыдущей схемы. Обмотка и поле остаточной намагниченности должны совпадать по направлению. При раскручивании якоря до номинальной частоты возникает ЭДС, поднимается ток и дальше по нарастающей, пока не будет достигнут баланс.

      Но здесь есть один небольшой нюанс. Ток обмотки возбуждения изменяется от тока нагрузки, и регулировать ток возбуждения возможности нет. А это приводит к тому, что очень сильно изменяется и напряжение. Здесь мы получаем самый настоящий генератор тока, а не напряжения. Именно поэтому область применения генератора с последовательным возбуждением сильно ограничена.

      Генераторы со смешанным возбуждением: схема, устройство, принцип работы

      

      Схема генератора со смешанным возбуждением

      На этом типе соединения нужно остановиться подробнее. У нас есть две обмотки, а значит, их можно включать как согласованно, так и встречно. Здесь я приведу график внешних характеристик такого генератора, и мы по ним пройдемся.

      

      График внешних характеристик генератора постоянного тока со смешанным возбуждением

      Итак, раскручиваем якорь до номинальных оборотов. Остаточная намагниченность возбуждает параллельную обмотку, генератор выходит на рабочий режим. Теперь, если мы подключим нагрузку, при этом последовательная обмотка включена согласованно, то возникает дополнительный ток возбуждения. Последовательная обмотка становится, как бы, поддерживающей или опорной. Этот вид включения, если последовательная обмотка была рассчитана, как компенсирующая, позволяет довольно жестко поддерживать напряжение в заданных пределах. На графике это очень хорошо видно по кривой №1.

      Если требуется получить некий запас напряжения, например, генератор находится на значительном удалении от потребителя и требуется учесть потери на кабельных линиях, то в последовательной катушке возбуждения увеличивают количество витков. Тем самым, мы получаем более крутую внешнюю характеристику, но поддержание напряжения на номинальных нагрузках остается по-прежнему жестким. Это видно по кривой №2.

      Для сравнения, кривая №3 показывает внешнюю характеристику генератора только с параллельным возбуждением.

      Так зачем же требуется встречное включение катушек возбуждения? Если вы посмотрите на кривую №4, то можете догадаться, что в случае короткого замыкания, ток возрастает до определенного момента, затем начинает падать. Из графика видно, что ток не достигает даже номинального значения, то есть, примерно 0,7 I_н. В таком варианте включения обмоток генератор без риска повреждения можно использовать для частых коротких замыканий, например сварочные работы.

      К сожалению, у всех схем, где используется зависимое возбуждение, есть один существенный недостаток. Поскольку это трудно назвать возбуждением, скорее это самовозбуждение, то запускать такие генераторы вместе с нагрузкой не представляется возможным. Как я уже говорил выше, возбуждение происходит за счёт остаточного намагничивания, которое составляет буквально 2-3%. А значит, если к выводам генератора будет подключена нагрузка, ток будет стремиться по пути наименьшего сопротивления, то есть самой нагрузки. Другими словами, вместе с нагрузкой тока будет недостаточно для формирования магнитного поля.

      Думаю, на этом можно закончить ознакомительную статью по генераторам переменного и постоянного тока.

      Поделиться ссылкой:

      • Нажмите, чтобы поделиться на Twitter (Открывается в новом окне)
      • Нажмите здесь, чтобы поделиться контентом на Facebook. (Открывается в новом окне)
      • Нажмите, чтобы поделиться в Google+ (Открывается в новом окне)

      Генератор постоянного тока: устройство, принцип работы, классификация

      На заре электрификации генератор постоянного тока оставался безальтернативным источником электрической энергии. Довольно быстро эти альтернаторы были вытеснены более совершенными и надёжными трехфазными генераторами переменного тока. В некоторых отраслях постоянный ток продолжал быть востребованным, поэтому устройства для его генерации совершенствовались и развивались.

      Даже в наше время, когда изобретены мощные выпрямительные устройства, актуальность генераторов постоянного электротока не потерялась. Например, они используются для питания силовых линий на городском электротранспорте, используемых трамваями и троллейбусами. Такие генераторы по-прежнему используют в технике электросвязи в качестве источников постоянного электротока в низковольтных цепях.

      Устройство и принцип работы

      В основе действия генератора лежит принцип, вытекающий из закона электромагнитной индукции. Если между полюсами постоянного магнита поместить замкнутый контур, то при вращении он будет пересекать магнитный поток (см. рис. 1). По закону электромагнитной индукции в момент пересечения индуцируется ЭДС. Электродвижущая сила возрастает по мере приближения проводника к полюсу магнита. Если к коллектору (два жёлтых полукольца на рисунке) подсоединить нагрузку R, то через образованную электрическую цепь потечёт ток.

      

      По мере выхода витков рамки из зоны действия магнитного потока ЭДС ослабевает и приобретает нулевое значение в тот момент, когда рамка расположится горизонтально. Продолжая вращение контура, его противоположные стороны меняют магнитную полярность: часть рамки, которая находилась под северным полюсом, занимает положение над южным магнитным полюсом.

      Величины ЭДС в каждой активной обмотке контура определяются по формуле: e₁ = Blvsinw t; e₂ = -Blvsinw t; , где B – магнитная индукция, l – длина стороны рамки, v – линейная скорость вращения контура, t – время, w t – угол, под которым рамка пересекает магнитный поток.

      При смене полюсов меняется направление тока. Но благодаря тому, что коллектор поворачивается синхронно с рамкой, ток на нагрузке всегда направлен в одну сторону. То есть рассматриваемая модель обеспечивает выработку постоянного электричества. Результирующая ЭДС имеет вид: e = 2Blvsinw t, а это значит, что изменение она подчиняется синусоидальному закону.

      Строго говоря, данная конструкция обеспечивает только полярность неподвижных щеток, но не устраняет пульсации ЭДС. Поэтому график сгенерированного тока имеет вид, как показано на рис.2.

      

      Такой ток, за исключением редких случаев, не пригоден для использования. Приходится сглаживать пульсации до приемлемого уровня. Для этого увеличивают количество полюсов постоянных магнитов, а вместо простой рамки используют более сложную конструкцию – якорь, с большим числом обмоток и соответствующим количеством коллекторных пластин (см. рис. 3). Кроме того, обмотки соединяются разными способами, о чём речь пойдёт ниже.

      

      Якорь изготавливается из листовой стали. На сердечниках якоря имеются пазы, в которые укладываются несколько витков провода, образующего рабочую обмотку ротора. Проводники в пазах соединены последовательно и образуют катушки (секции), которые в свою очередь через пластины коллектора создают замкнутую цепь.

      С точки зрения физики процесса генерации не имеет значения, какие детали вращаются – обмотки контура или сам магнит. Поэтому на практике якоря для маломощных генераторов делают из постоянных магнитов, а полученный переменный ток выпрямляют диодными мостами и другими схемами.

      И напоследок: если на коллектор подать постоянное напряжение, то генераторы постоянного тока могут работать в режиме синхронных двигателей.

      Конструкция двигателя (он же генератор) понятна из рисунка 4. Неподвижный статор состоит из двух сердечников полюсов, состоящих из ферримагнитных пластин, и обмоток возбуждения, соединённых последовательно. Щётки расположены по одной линии друг против друга. Для охлаждения обмоток используется вентилятор.

      

      Классификация

      Различают два вида генераторов постоянного тока:

      • с независимым возбуждением обмоток;
      • с самовозбуждением.

      Для самовозбуждения генераторов используют электричество, вырабатываемое самим устройством. По принципу соединения обмоток якоря самовозбуждающиеся альтернаторы с делятся на типы:

      • устройства с параллельным возбуждением;
      • альтернаторы с последовательным возбуждением;
      • устройства смешанного типа (компудные генераторы).

      Рассмотрим более подробно особенности каждого типа соединения якорных обмоток.

      С параллельным возбуждением

      Для обеспечения нормальной работы электроприборов, требуется наличие стабильного напряжения на зажимах генераторов, не зависящее от изменения общей нагрузки. Задача решается путём регулировки параметров возбуждения. В альтернаторах с параллельным возбуждением выводы катушки подключены через регулировочный реостат параллельно якорной обмотке.

      Реостаты возбуждения могут замыкать обмотку «на себя». Если этого не сделать, то при разрыве цепи возбуждения, в обмотке резко увеличится ЭДС самоиндукции, которая может пробить изоляцию. В состоянии, соответствующем короткому замыканию, энергия рассеивается в виде тепла, предотвращая разрушение генератора.

      Электрические машины с параллельным возбуждением не нуждаются во внешнем источнике питания. Благодаря наличию остаточного магнетизма всегда присутствующего в сердечнике электромагнита происходит самовозбуждение параллельных обмоток. Для увеличения остаточного магнетизма в катушках возбуждения сердечники электромагнитов делают из литой стали.

      Процесс самовозбуждения продолжается до момента, пока сила тока не достигнет своей предельной величины, а ЭДС не выйдет на номинальные показатели при оптимальных оборотах вращения якоря.

      Достоинство: на генераторы с параллельным возбуждением слабо влияют токи при КЗ.

      С независимым возбуждением

      В качестве источника питания для обмоток возбуждения часто используют аккумуляторы или другие внешние устройства. В моделях маломощных машин используют постоянные магниты, которые обеспечивают наличие основного магнитного потока.

      На валу мощных генераторов расположен генератор-возбудитель, вырабатывающий постоянный ток для возбуждения основных обмоток якоря. Для возбуждения достаточно 1 – 3% номинального тока якоря и не зависит от него. Изменение ЭДС осуществляется регулировочным реостатом.

      Преимущество независимого возбуждения состоит в том, что на возбуждающий ток никак не влияет напряжение на зажимах. А это обеспечивает хорошие внешние характеристики альтернатора.

      С последовательным возбуждением

      Последовательные обмотки вырабатывают ток, равен току генератора. Поскольку на холостом ходе нагрузка равна нулю, то и возбуждение нулевое. Это значит, что характеристику холостого хода невозможно снять, то есть регулировочные характеристики отсутствуют.

      В генераторах с последовательным возбуждением практически отсутствует ток, при вращении ротора на холостых оборотах. Для запуска процесса возбуждения необходимо к зажимам генератора подключить внешнюю нагрузку. Такая выраженная зависимость напряжения от нагрузки является недостатком последовательных обмоток. Такие устройства можно использовать только для питания электроприборов с постоянной нагрузкой.

      Со смешанным возбуждением

      Полезные характеристики сочетают в себе конструкции генераторов со смешанным возбуждением. Их особенности: устройства имеют две катушки – основную, подключённую параллельно обмоткам якоря и вспомогательную, которая подключена последовательно. В цепь параллельной обмотки включён реостат, используемый для регулировки тока возбуждения.

      Процесс самовозбуждения альтернатора со смешанным возбуждением аналогичен тому, который имеет генератор с параллельными обмотками (из-за отсутствия начального тока последовательная обмотка в самовозбуждении не участвует). Характеристика холостого хода такая же, как у альтернатора с параллельной обмоткой. Это позволяет регулировать напряжения на зажимах генератора.

      Смешанное возбуждение сглаживает пульсацию напряжения при номинальной нагрузке. В этом состоит главное преимущество таких альтернаторов перед прочими типами генераторов. Недостатком является сложность конструкции, что ведёт к удорожанию этих устройств. Не терпят такие генераторы и коротких замыканий.

      Технические характеристики генератора постоянного тока

      Работу генератора характеризуют зависимости между основными величинами, которые называются его характеристиками. К основным характеристикам можно отнести:

      • зависимости между величинами при работе на холостом ходе;
      • характеристики внешних параметров;
      • регулировочные величины.

      Некоторые регулировочные характеристики и зависимости холостого хода мы раскрыли частично в разделе «Классификация». Остановимся кратко на внешних характеристиках, которые соответствуют работе генератора в номинальном режиме. Внешняя характеристика очень важна, так как она показывает зависимость напряжения от нагрузки, и снимается при стабильной скорости оборотов якоря.

      Внешняя характеристика генератора постоянного тока с независимым возбуждением выглядит следующим образом: это кривая, зависимости напряжения от нагрузки (см. рис. 5). Как видно на графике падение напряжения наблюдается, но оно не сильно зависит от тока нагрузки (при сохранении скорости оборотов двигателя, вращающего якорь).

      

      В генераторах с параллельным возбуждением зависимость напряжения от нагрузки сильнее выражена (см. рис. 6). Это связано с падением тока возбуждения в обмотках. Чем выше нагрузочный ток, тем стремительнее будет падать напряжение на зажимах генератора. В частности, при постепенном падении сопротивления до уровня КЗ, напряжение падёт до нуля. Но резкое замыкание в цепи вызывает обратную реакцию генератора и может быть губительным для электрической машины этого типа.

      

      Увеличение тока нагрузки при последовательном возбуждении ведёт к росту ЭДС. (см. верхнюю кривую на рис. 7). Однако напряжение (нижняя кривая) отстаёт от ЭДС, поскольку часть энергии расходуется на электрические потери от присутствующих вихревых токов.

      

      Обратите внимание на то, что при достижении своего максимума напряжение, с увеличением нагрузки, начинает резко падать, хотя кривая ЭДС продолжает стремиться вверх. Такое поведение является недостатком, что ограничивает применение альтернатора этого типа.

      В генераторах со смешанным возбуждением предусмотрены встречные включения обеих катушек – последовательной и параллельной. Результирующая намагничивающая сила при согласном включении равна векторной сумме намагничивающих сил этих обмоток, а при встречном – разнице этих сил.

      В процессе плавного увеличении нагрузки от момента холостого хода до номинального уровня, напряжение на зажимах будет практически постоянным (кривая 2 на рис. 8). Увеличение напряжения наблюдается в том случае, если количество проводников последовательной обмотки будет превышать количество витков соответствующее номинальному возбуждению якоря (кривая 1).

      Изменение напряжения для случая с меньшим числом витков в последовательной обмотке, изображает кривая 3. Встречное включение обмоток иллюстрирует кривая 4.

      

      Генераторы со встречным включением используют тогда, когда необходимо ограничить токи КЗ, например, при подключении сварочных аппаратов.

      В нормально возбуждённых устройствах смешанного типа ток возбуждения постоянный и от нагрузки почти не зависит.

      Реакция якоря

      Когда к генератору подключена внешняя нагрузка, то токи в его обмотке образуют собственное магнитное поле. Возникает магнитное сопротивление полей статора и ротора. Результирующее поле сильнее в тех точках, где якорь набегает на полюсы магнита, и слабее там, где он с них сбегает. Другими словами якорь реагирует на магнитное насыщение стали в сердечниках катушек. Интенсивность реакции якоря зависит от насыщения в магнитопроводах. Результатом такой реакции является искрение щёток на коллекторных пластинах.

      Снизить реакцию якоря можно путём применения компенсирующих дополнительных магнитных полюсов или сдвигом щёток с осевой линии геометрической нейтрали.

      ЭДС

      Среднее значение электродвижущей силы пропорционально магнитному потоку, количеству активных проводников в обмотках и частоте вращения якоря. Увеличивая или уменьшая указанные параметры можно управлять величиной ЭДС, а значит и напряжением. Проще всего, желаемого результата можно достичь путём регулировки частоты вращения якоря.

      Мощность

      Различают полную и полезную мощность генератора. При постоянной ЭДС полная мощность пропорциональна току: P = EI_a. Отдаваемая в цепь полезная мощность P₁ = UI.

      КПД

      Важной характеристикой альтернатора является его КПД – отношение полезной мощности к полной. Обозначим данную величину символом η_e. Тогда: η_e=P₁/P.

      На холостом ходе η_e = 0. максимальное значение КПД – при номинальных нагрузках. Коэффициент полезного действия в мощных генераторах приближается к 90%.

      Применение

      До недавнего времени использование тяговых генераторов постоянного тока на ж/д транспорте было безальтернативным. Однако уже начался процесс вытеснения этих генераторов синхронными трёхфазными устройствами. Переменный ток, синхронного альтернатора выпрямляют с помощью выпрямительных полупроводниковых установок.

      На некоторых российских локомотивах нового поколения уже применяют асинхронные двигатели, работающие на переменном токе.

      Похожая ситуация наблюдается с автомобильными генераторами. Альтернаторы постоянного тока заменяют асинхронными генераторами, с последующим выпрямлением.

      Пожалуй, только передвижные сварочные аппараты с автономным питанием неизменно остаются в паре с альтернаторами постоянного тока. Не отказались от применения мощных генераторов постоянного тока также некоторые отрасли промышленности.

      Видео по теме

      Список использованной литературы

      • Вольдек А. И., Попов В. В. «Электрические машины. Введение в электромеханику. Машины постоянного тока и трансформаторы» 2008
      • О.А.Косарева «Шпаргалка по общей электротехники и электроники»
      • Китаев В. Е., Корхов Ю. М., Свирин В. К. «Электрические машины» Часть 1. Машины постоянного тока. 1978
      • Данилов И.А., Лотоцкий К.В. «Электрические машины» 1972

      Изучаем генераторы постоянного и переменного тока

      Работа электронного оборудования, бытовых электрических сетей и автомобилей прямо зависит от генераторов. Статья подробно раскроет тему, что такое генераторы постоянного и переменного тока. Будет описан каждый тип этих устройств, разновидности, принцип работы.

      

      Принцип работы

      Простейший генератор переменного тока состоит из следующих частей:

      1. 2 постоянных разнополюсных магнита.
      2. Рамки из медной проволоки.
      3. Контактных колец, с которых снимается полученное напряжение.

      

      Работает простой альтернатор по следующему принципу:

      1. Постоянные магниты создают магнитное поле.
      2. При вращении медной рамки, эти поля пересекаются самой рамкой.
      3. При пересечении полей, на рамке образуется электричество.
      4. При отсутствии пересечения, напряжение пропадает.

      

      Рамка, осуществляя одно полное вращение, дважды пересекает магнитное поле. Таким образом направленность ЭДС меняется на противоположную. Смена направленности ЭДС приводит к возникновению синусоидального или переменного тока.

      В таком эксперименте прослеживается не только смена направленности ЭДС, но и полная потеря электрического напряжения. Для того чтобы этот эффект сошел на нет, генератор переменного тока оснащается приводом. Привод используется для постоянного вращения якоря генератора, с целью минимизации потери напряжения и поддержания его на заданном уровне. Генераторы приводятся в действие несколькими способами. Это может быть двигатель внутреннего сгорания, передаточное вращение от энергии воды, пара, сжигания нефти или газа, энергия ветра.

      Генераторы переменного тока

      Генераторы переменного тока устроены и работают по принципу простейшего экспериментального альтернатора. Эти устройства состоят из следующих элементов:

      1. Ротор. Представляет собой металлический сердечник, надетый на основной вал генератора. Ротор может быть оснащен обмоточным проводом или не иметь его. Все зависит от типа устройства. Ротор подвижная часть устройства. Приводится в движение за счет приводного механизма (двигателя, турбины, лопастей).
      2. Статор. Неподвижная часть, которая так же оснащена медной обмоткой. Обмотка помещена в специально прорезанные пазы, имеет изоляцию между металлическим корпусом и самим проводом.
      3. Контактные кольца с щетками или коллектором. Эти элементы используются для подачи постоянного напряжения к обмоткам для их первоначального возбуждения. Также коллектор используется в качестве выпрямителя. Он предотвращает смену направленности.

      

      Работает такой генератор по следующему принципу:

      1. Ток возбуждения поступает на обмотку статора, который является постоянным магнитом. Далее происходит образование магнитного поля.
      2. Вращающийся ротор с обмоткой также становится постоянным магнитом. Из-за этого создается ЭДС между статором и ротором.
      3. Во время вращения происходит пересечение магнитного поля, за счет чего образуется переменный ток.
      4. Ток поступает через коммутационный щеточный узел в подключенную цепь.

      Генераторы переменного тока имеют множество разновидностей. Они отличаются по:

      1. Классификации. Могут быть синхронными и асинхронными. Синхронные зависимы от частоты вращения и частоты переменного ЭДС. Такие генераторы легко определить визуально. Их подвижный ротор имеет обмотку. Асинхронные не имеют обмотки на роторе. Они не зависят от частоты вращения, более устойчивы к изменению частоты оборотов и не подвержены быстрому нагреву во время коротких замыканий.
      2. По способу возбуждения. Выделяются 4 основных типа: от постороннего источника питания; самовозбуждающиеся; от более мощного генератора, который работает совместно с основным; от постоянного магнита.
      3. По количеству фаз. Различаются одно-, двух- и трехфазные модели. Самыми распространенными являются трехфазные типы устройств.
      4. По способу соединения обмотки статора. Основных схем существует 2 — это треугольник и звезда. Отличаются эти две схемы способом соединения. Когда используется «звезда», то все концы обмоток соединены в одной точке. «Треугольник» — предусматривает последовательное соединение всех концов обмотки.
      5. По конструкции. Генераторы переменного типа могут быть: с неподвижным статором или с неподвижным ротором.
      6. По способу преобразования энергии.

      Также генераторы могут отличаться по способу эксплуатации. Они бывают стационарными или переносными.

      Преимущества

      Преимущество генераторов переменного тока заключается в следующем:

      1. Возможность получения электрического тока при использовании различных приводов. Таким образом есть возможность преобразования практически любого вида энергии в электрический ток.
      2. Выработка тока даже при малых оборотах вала.
      3. Отсутствие ограничителей, регуляторов и реле.
      4. Токосъемное устройство значительно надежнее.
      5. Высокий срок службы.
      6. Низкие затраты на производство.
      7. Подача переменного напряжения как в сложно разветвленные сети, так и к отдельным бытовым потребителям.

      Достоинство генераторов переменного тока состоит еще и в том, что на их основе можно легко создать устройство для выработки постоянного тока.

      Недостатки таких устройств следующие:

      1. Зависимость от частоты вращения.
      2. Подверженность нагреву обмотки в результате возникновения нагрузки.
      3. Сложный ремонт и замена обмотки.
      4. Потребность в выпрямителе тока.

      Генераторы постоянного тока

      Устройство генератора постоянного тока ничем не отличается от устройства, которое вырабатывает переменный ток. Первые генераторы постоянного тока отличались только наличием полуколец для отвода электрического тока. Принцип их работы заключался в том, что щеткой снималось напряжение только определенного полюса. Например, одна снимала только «+», а вторая только минус. Таким образом в цепь передавался постоянный ток. Главным недостатком таких устройств является высокая зависимость напряжения от частоты оборотов якоря. При снижении оборотов напряжение падает, а при увеличении стабилизируется на необходимом уровне. Но высокое число оборотов приводит к разбалансировке якоря, быстрой выработке самих щеток и удерживающих якорь подшипников.

      

      Для получения постоянного тока с малым напряжением используются генераторы с выпрямителем или диодным мостом. Конструктивно этот механизм относится к генераторам асинхронного типа.

      Принцип преобразования переменного тока в постоянный на примере автомобильного генератора постоянного тока:

      1. Генератором вырабатывается переменный ток. При этом устройство имеет трехфазную обмотку, соединенную по схеме «звезда».
      2. С каждой фазы ток поступает на один из 6 диодов, из которых состоит мост. За 1 период в преобразовании задействуется 2 диода для каждой фазы.
      3. Смена потенциала тока на каждой фазе заставляет диоды пропускать ток только в определенном направлении.

      Таким образом происходит сглаживание синусоиды. Через открытую сторону каждого диода проходит только ток положительного значения. На выходе с диодов снимается только положительное значение или «+». В схеме может присутствовать 6 или 8 диодов. Каждая пара диодов называется плечом. 8 полупроводников используются для схемы типа «звезда». Дополнительная пара подключается к нулевому контакту на статоре. Такие выпрямители более мощные. Они обеспечивают примерно на 15 % больше напряжения во время работы на холостом ходу.

      Также существуют схемы, в которых может быть задействовано до 11 диодов. Такие генераторы получают питание регулятора и обмоток за счет дополнительных пар полупроводников.

      

      В таких генераторах имеется электронное реле выпрямителя. Это устройство обеспечивает контроль выработанного напряжения, сглаживает скачки напряжения, предотвращает нагрев обмотки и возникновение нагрузок при коротких замыканиях.

      

      1. Отсутствие зависимости от перепада оборотов вала.
      2. Выработка только постоянного напряжения.
      3. Возможность регулировки выработанного напряжения.

      Недостаток таких механизмов только в разбалансировке вала и стирании щеток при больших, неконтролируемых оборотах.

      Различия

      Далее необходимо будет разобраться, в чем основные отличия генераторов переменного и постоянного тока. Они заключаются в следующем:

      1. Генератор постоянного тока оснащается полукольцом для изменения направленности тока.
      2. Для получения постоянного напряжения может использоваться диодный мост.
      3. Необходимость использования реле регулятора.
      4. Также есть отличие при зависимости от частоты оборотов приводного механизма.

      Например, автомобильный генератор не может заряжать аккумулятор при работе на холостом ходу. В этом режиме двигатель машины вращается с частотой 800 оборотов/мин. Таких оборотов не хватает, чтобы выработать зарядный ток достаточной мощности.

      1. Генератор постоянного тока оснащается полукольцом для изменения направленности тока.
      2. Для получения постоянного напряжения может использоваться диодный мост.
      3. Необходимость использования реле регулятора.
      4. Также есть отличие при зависимости от частоты оборотов приводного механизма.Например, автомобильный генератор не может заряжать аккумулятор при работе на холостом ходу. В этом режиме двигатель машины вращается с частотой 800 оборотов/мин. Таких оборотов не хватает, чтобы выработать зарядный ток достаточной мощности.
      5. Использование соединения типа «треугольник» не используется в генераторах постоянного напряжения. Причина кроется в том, что происходит скачкообразное изменение фазных ЭДС во времени. В электромашинах переменного типа такие изменения более сглажены.
      6. Устройства, вырабатывающие электричество, не имеют особой конструктивной разницы. Но генераторы постоянного типа требуют большего контроля со стороны человека. Электромашины переменного типа более надежны, требуют меньшего вмешательства, так как часто не оснащаются сложным электронным оборудованием для регулировки и контроля напряжения.
      7. Переменное напряжение вырабатывается при меньших затратах на медную обмотку, при этом габаритные размеры таких генераторов могут быть значительно меньше.
      8. Для выработки зарядного тока, генератор должен работать через передаточный механизм. Только так можно добиться мгновенной выработки нужного значения при малых оборотах.

      Использование электрических машин, вырабатывающих постоянный ток не является целесообразным. Это связано с тем, что они менее надежные. Гораздо менее затратными являются устройства для выработки переменного напряжения, которые оснащены выпрямителями. Такой механизм может работать практически на любых оборотах с сохранением нужного напряжения и имеет защиту от перегрузок. Габариты такого устройства будут намного меньше, при том что выходная мощность устройств будет одинаковой.

      Заключение

      Переменные и постоянные генераторы имеют схожую конструкцию. Отличаются они только необходимостью преобразования тока из одного значения в другое. Генераторы постоянного тока при этом имеют более сложную схему, и во время их работы требуется контроль со стороны человека.

      Видео по теме

      
      

      источники:

      https://uelektrika.ru/osnovy-yelektrotekhniki/ustroystvo-generatora-toka/

      https://www.asutpp.ru/generator-postoyannogo-toka.html

      https://profazu.ru/knowledge/electrical/generatory-postoyannogo-i-peremennogo-toka.html