Генератор переменного тока принцип действия кратко

Генератор переменного тока. Устройство и принцип действия

Видео: Принцип работы генератора переменного тока. Как работает генератор простыми словами? Что такое переменный ток?

Генератор переменного тока — это электрическая машина, преобразующая механическую энергию в электрическую энергию переменного тока путем вращения проволочной катушки в магнитном поле. Большинство генераторов переменного тока используют вращающееся магнитное поле.

В последнее время широкое распространение получили генераторы переменного тока, выгодно отличающиеся от генераторов постоянного тока своими габаритными размерами и способностью вырабатывать ток заряда при меньшей частоте вращения коленчатого вала двигателя. Они имеют повышенную надежность.

Генераторы переменного тока используют на гусеничных и колесных машинах (например, на КамАЗ-4310 и КЗКТ-7428). По своей конструкции генераторы переменного тока отличаются от коллекторных генераторов постоянного тока. У них почти вдвое меньше масса и втрое — расход меди. Благодаря более раннему началу отдачи зарядного тока (с момента приведения во вращение вала двигателя на режиме холостого хода) такие генераторы имеют существенно лучшие зарядные свойства по сравнению с генераторами постоянного тока.

Генератор переменного тока представляет собой трехфазную синхронную электромашину с электромагнитным возбуждением и выпрямителем. Генератор работает совместно с регулятором напряжения, обеспечивающим поддержание в электросети машины (с определенным допуском) требуемого постоянного напряжения.

Рис. Схема генератора переменного тока:
1 — ротор; 2 — статор; 3, 9 — шарикоподшипники; 4 — шкив привода; 5 — вентилятор; 6, 10 — крышки; 7 — выпрямитель; 8 — контактные кольца; 11 — щеткодержатель; 12 — обмотка возбуждения; 13 — винты крепления фазовых обмоток статора к выпрямителю; 14 — винт «массы»

Принцип действия генератора переменного тока

Конструкции электрических генераторов переменного тока различны, но принцип их действия одинаков. Рассмотрим один из таких генераторов.

Статор 2 генератора с трехфазной обмоткой выполнен в виде отдельных катушек, в витках которых при вращении ротора 1 индуцируется переменное напряжение. В каждой фазе имеется по шесть катушек, соединенных последовательно. Обмотка возбуждения 12 выполнена в виде катушки и помещена на стальной втулке клювообразных полюсов ротора, обмотки которого питаются постоянным током от аккумуляторной батареи или выпрямителя 7, устанавливаемого на выходе генератора. В крышке 10 имеются вентиляционные окна, через которые циркулирует охлаждающий поток воздуха. Моноблок-радиатор способствует охлаждению выпрямителя, собранного из кремниевых вентилей (диодов) с допустимой температурой нагрева 150 °С.

Интересным компоновочным решением конструкции генератора переменного тока является генераторная установка магистральных автопоездов МАЗ. Она состоит из генератора и интегрального регулятора напряжения (ИРН). Номинальное вырабатываемое напряжение установки 28 В, номинальная мощность 800 Вт. Регулятор вмонтирован в основание щеткодержателя генератора. В крышку генератора также вмонтирован выпрямительный блок БПВ 4-45. Регулятор состоит из резисторов, конденсаторов, стабилитронов, транзисторов и других элементов. Он снабжен переключателем сезонной регулировки («летняя» и «зимняя»). Элементы ИРН смонтированы на малогабаритной керамической плате, закрытой специальной крышкой и залитой герметиком, что делает конструкцию неразборной и неремонтируемой.

Генератор тока.

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

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

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

Генераторы постоянного тока.

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

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

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

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

Может достигать до 10 Мегаватт мощность генератора тока.

Генераторы переменного тока.

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

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

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

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

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

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

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

Генераторы переменного тока

Published by Admin Under Генераторы on Июль 20, 2016

Генератор переменного тока – это машина, которая преобразует механическую энергию в энергию электрическую на основании закона электромагнитной индукции. Проводник перемещается в магнитном поле, силовые линии поля пересекают проводник, в результате чего в проводнике инициируется движение электронов, что в свою очередь приводит к возникновению электродвижущей силы. Если к концам проводника подключить нагрузку, то в проводнике возникнет ток.

Переменным ток называется по той причине, что в течение времени он меняется по своей величине и направлению. При чем, изменения эти носят периодический (синусоидальный) характер. На графике это выглядит следующим образом:

Нулевая точка – это начало отсчета. Дальше показано, как ток изменяется во времени.

Устройство генератора переменного тока

Генератор состоит из проводника, намотанного на стальной магнитопровод (якорь) и системы магнитов – обыкновенных или электрических. Электрическая энергия снимается с якоря при помощи угольных щеток, прилегающих к кольцу, к которому в свою очередь присоединены концы проводника.

Якорь – подвижная (вращающаяся) часть генератора, статор – неподвижная, создающая магнитное поле.

Если магнитное поле в генераторе наводится электромагнитами, то в паре с ним работает еще один генератор – возбудитель. В возбудителе магнитное поле наводится обыкновенными магнитами.

В движение якорь приводится различными механическими средствами, в зависимости от применения. На электростанции – это турбины (паровые, водяные). В бытовых генераторах якорь вращается механической энергией, получаемой за счет двигателя внутреннего сгорания.

Область применения

Переменный ток широко распространен. На сегодняшний день на переменном токе работает почти вся бытовая техника и промышленность. Связано это с тем, что переменный ток передается на большие расстояния, с гораздо меньшими потерями, нежели постоянный. Также, переменный ток, легко преобразуется в постоянный с помощью диодных выпрямителей. Постоянный ток, преобразовать в переменный невозможно.

Генераторы переменного тока используются на всех электростанциях.

Промышленные электрогенераторы переменного тока используются для обеспечения аварийного автономного питания больниц, школ, детских садов, торговых и промышленных объектов. Также промышленные генераторные установки используются при строительстве новых объектов, это позволяет использовать электрооборудование на участках, где отсутствуют другие источники электроэнергии.

В бытовых дизельных и бензиновых установках для различных целей. Это и обеспечение автономного питания, в случае отключения линии электроэнергии, и ее получение в местах, где линия электропередач отсутствует.

Генератор переменного тока принцип действия кратко

Упрощенная схема устройства автомобильного генератора пере­менного тока с клювообразным ротором представлена на рисунке 1. Ге­нератор имеет следующие основные конструктивные элементы: непод­вижный статор 1, набранный из пластин электротехнической стали; обмотку статора 2; вращающийся ротор с клювообразными полюсами 9 и расположенную между ними втулку 15; обмотку возбуждения 8, вы­воды которой припаяны к двум изолированным от вала и друг от друга медным контактным кольцам 13; крышку со стороны привода 3 и крыш­ку со стороны контактных колец 10, выполненные из алюминиевого сплава, в которых установлены шарикоподшипники 5 и 11 с двусто­ронним резиновым уплотнителем и одноразовой закладкой смазки на весь срок службы. Крышки имеют вентиляционные отверстия и кре­пежные лапы для крепления генератора на двигателе.

В крышке со стороны контактных колец установлен пластмассовый щеткодержатель 14 с двум я прямоугольными медно-графитовыми щет­ками 12 и выпрямительный блок 7. При помощи крыльчатки 6 создает­ся протяжная вентиляция для охлаждения генератора. Привод гене­ратора осуществляется при помощи шкива 4.

Принцип действия генератора заключается в следующем. При вклю­чении замка зажигания на обмотку возбуждения подается напряже­ние аккумуляторной батареи, которое вызывает появление тока воз­буждения. Ток возбуждения, проходя по обмотке возбуждения, создает магнитный поток, рабочая часть которого распределяется по клювооб­разным полюсам одной полярности. Выходя из полюсов, магнитный по­ток пересекает воздушный зазор, проходит по зубцам и спинке статора, еще раз пересекает воздушный зазор, входит в клювообразные полюса другой полярности и замыкается через втулку и вал.

Рисунок 1 Автомобильный генератор переменного тока

При вращении ротора под каждым зубцом статора проходит попе­ременно то южный (S), то северный (N) полюс ротора, т. е. магнитный поток, пересекающий обмотку статора, изменяется по величине и на­правлению (рис. 2).

Рисунок 2 Изменение магнитного потока в генераторе переменного тока

При этом в обмотках фазы будет индуцировать­ся переменная по величине и направлению ЭДС, действующее значение которой равно:

где f − частота; w − число витков обмотки одной фазы; Ф − магнитный поток; − обмоточный коэффициент.

Частота ЭДС равна:

р — число пар полюсов: п — частота вращения.

Значение обмоточного коэффициента зависит от числа пазов стато­ра q, приходящихся на полюс и фазу:

.

где z – число пазов, m – число фаз.

В фазных обмотках статора генератора индуцируется ЭДС вида:

,

где — постоянный коэффициент.

У всех автомобильных генераторов отечественного производства и, за редким исключением, генераторов зарубежных фирм шесть пар полюсов, при этом ча­стота переменного тока в обмотке статора, выраженная в Гц, меньше частоты вращения ротора генератора, измеряемой в мин -1 , в 10 раз.

С учетом передаточного числа ременной передачи i от двигателя к генерато­ру, частота переменного тока, выраженная через частоту вращения коленчато­го вала двигателя n_дв определяется соотношением:

Характер изменения ЭДС в проводниках обмотки статора зависит от кривой распределения магнитной индукции в зазоре, которая опре­деляется формой полюса. Форму полюса делают такой, чтобы форма ЭДС приближалась к синусоиде.

По частоте переменного тока генератора можно измерять ча­стоту вращения коленчатого вала двигателя, что и используется в реальных схемах подключением тахометра или любого другого устройства, реагирующего на частоту вращения коленчатого вала, к выводу обмотки статора.

Обмотка статора как отечественных, так и зарубежных генераторов — трех­фазная. Она состоит из трех обмоток фаз, которые иногда называют просто фазами, токи и напряжения в которых смещены на 120 электрических градусов.

Фазы могут соединяться в «звезду» или «треугольник». При этом различают фазные и линейные напряжения и токи. Фазные напряжения действуют между выводами обмоток фаз, а токи протекают в этих обмотках, линейные напряже­ния действуют между проводами, соединяющими обмотку статора с выпрямите­лем. В этих проводах протекают линейные токи. Естественно, выпрямитель вы­прямляет те величины, которые к нему подводятся, т.е. линейные.

При соединении в «треугольник» фазные токи в раза меньше линейных, в то время как у «звезды» линейные и фазные токи равны. Это значит, что при том же отдаваемом генератором токе, ток в обмотках фаз при соединении в «треугольник» значительно меньше, чем у «звезды».

Поэтому в генераторах большой мощности довольно часто применяют соеди­нение типа «треугольник», т.к. при меньших токах обмотки можно наматывать более тонким проводом, что технологичнее. Однако линейное напряжение у «звезды» в раз больше фазного, в то время как у «треугольника» они равны, и для получения такого же выходного напряжения при тех же частотах враще­ния ротора «треугольник» требует соответствующего увеличения числа витков его фаз по сравнению со «звездой».

В автомобильных генераторах наибольшее применение нашли трех­фазные мостовые двухполупериодные схемы выпрямления и обмотки генератора соединены «звездой» (рис. 3). В этих схе­мах наиболее благоприятное соотношение между выпрямленной мощ­ностью Р_dи мощностью генератора Р(теоретически Р =1,045 Р_d). Трехфазная мостовая схема выпрямления обеспечивает относительно небольшие пульсации выпрямленного напряжения, что является од­ним из важных требований к автомобильным генераторам в связи с ши­роким применением электроники на автомобиле.

Рисунок 4 Мостовая трехфазная схема выпрямления:

а− электрическая схема; б − осциллограммы фазных и выпрямленного напряжений

К выпрямителю подается линейное напряжение генератора. Среднее значение выпрямленного напряжения равно:

Часто обмотки возбуждения генератора подключаются к собственному выпрямителю.

Для соединения фазных обмоток по схеме «звезда» справедливы следующие соотношения:

;

Выпрямленное напряжение пульсирует с частотой f_n, в 6 раз большей частоты переменного напряжения генератора:

Минимальное значение выпрямленного напряжения равно , а максимальное . Пульсация выпрямленного напряжения при соединении обмоток генератора по схеме «звезда»:

Среднее значение выпрямленного напряжения (период пульсации Т/6):

Следовательно, пульсация выпрямленного напряжения:

Например, при среднем значении выпрямленного напряжения 14 В пульсация равна 1,95 В. При этом максимальное значение выпрямленного напряжения равно 14,65 В, а минимальное – 12,7 В. Можно, например, определить, какова была амплитуда фазного напряжения генератора, если необходимо получить среднее значении выпрямленного напряжения 14 В:

Ток при подключении к выпрямителю активной нагрузки:

где R_н – сопротивление нагрузки.

Форма выпрямленного тока имеет такой же вид, как и выпрямленного напряжения, т.е. выпрямленный ток будет пульсирующим с амплитудой: