Индукционный генератор – электромеханический агрегат, назначение которого – преобразование неэлектрической энергии в электрическую. Различают электромеханические, термоэлектрические, магнитогидродинамические и химические электрогенераторы. Их применяют везде, где для обеспечения непрерывной деятельности и комфортного проживания человека необходима электроэнергия. Слово «индукционный» из названия обычно исключают, ведь все современные генераторы являются таковыми: вследствие электромагнитной индукции в них появляется электродвижущая сила (ЭДС). Рассмотрим принцип работы генератора переменного и постоянного тока, их классификацию, особенности и сферы эксплуатации.
В чем разница между постоянным и переменным током?
При возникновении направленного электрического поля в проводниках появляется ток. Если ЭДС не меняет направление с течением времени, заряды, точнее электромагнитная волновая энергия, перемещаются от электрода с положительным зарядом к отрицательному. Такой ток называют постоянным (DC).
Генераторы, вырабатывающие электричество на электростанциях, напротив, создают переменный электрический ток (AC), ведь ЭДС в них постоянно меняет значение и направление на противоположное – заряды «бегут» то в одну сторону, то в обратную. Ещё его называют синусоидальным или периодическим знакопеременным.
Генераторы постоянного тока
В большинстве промышленных установок применяют переменный электроток, однако встречается немало устройств, которые питаются от постоянного тока. Его получают путём выпрямления знакопеременного или от индукционного генератора, конструкция которого включает коллектор – устройство для трансформации переменного напряжения в постоянное. При этом напряжение определяется скоростью вращения ротора агрегата.
Также выпрямлять ток можно с помощью диодного моста.
Устройство и принцип действия
Устройство и принцип работы генератора постоянного тока приведено ниже.
В простейшем случае электрогенератор состоит из таких частей:
-
пара разнополюсных магнитов (постоянные или электромагниты);
-
вращающаяся медная рамка;
-
цилиндрический коллектор;
-
токосъёмные угольные щётки.
Вращающуюся часть агрегата называют ротором, который устанавливают на якорь, неподвижный узел – статором.
Особенность электрогенератора по сравнению с моделями переменного тока – обмотки соединяются с парой полуколец, а не кольцами, как в случае с переменными. Причём полукольца разделяет изолирующий материал, а сами они надеваются на общий вращающийся на оси с металлической рамкой цилиндр. Щётки, отводящие электричество во внешний контур, при помощи пружинок прижимаются к движущимся по кругу полукольцам.
При совершении каждого полуоборота рамки припаянные к её концам полукольца поочерёдно переходят от одной щётки к другой. При этом направление тока меняется два раза за оборот. Если коллектор производит переключения в моменты смены направления движения зарядов в рамке, одна из щёток станет положительным, а вторая – отрицательным полюсом. По цепи начнёт передаваться электричество с однонаправленным движением зарядов.
Отсюда следует, что принцип работы генератора постоянного тока, индуктируемого якорем агрегата, заключается в его выпрямлении при помощи коллектора. Ток будет прямым – не меняющим направления, но по величине он меняется от нулевого значения до пикового каждый период – его частота будет вдвое меньше пульсаций. Такой электроток называют пульсирующим.
Для сглаживания скачков напряжения от нуля до максимального значения – превращения прямого напряжения в постоянное – якорь агрегата изготавливают из большого количества катушек, которые сдвинуты одна относительно другой. Ротор состоит из соответствующего числу катушек количества пластин, которые лежат цилиндром вокруг вращающегося вала с коллектором. Это якорь барабанного типа.
Ниже изображён электрический генератор с четырёхполюсным якорем в поперечном разрезе.
Классификация
Различают несколько способов классификации электростанций.
По типу возбуждения – это агрегаты с само- и независимым возбуждением обмоток.
Электромагниты устройств, обмотки которых должны пропускать постоянный ток, создают магнитное поле. Агрегаты, черпающие питание для получения магнитного поля из отдельного источника, называются генераторами с независимым возбуждением, принцип работы которых рассмотрен ниже.
На электрогенераторах высокой мощности устанавливают маломощный приводной двигатель. Он возбуждает обмотки возбуждения электростанции. Для запуска установки хватает до 3% от номинальной силы тока. ЭДС изменяется при помощи реостата, подключённого в цепь возбуждения.
Иногда для получения магнитного поля используют постоянный ток, который вырабатывает сам агрегат. Его называют генератором с самовозбуждением (ранее – динамо-машиной).
Различают три метода соединения обмоток якорей самовозбуждающихся электростанций. Это приборы с:
-
Параллельным возбуждением – требуют стабильное напряжение на зажимах при любой нагрузке. Выводы катушки подключают параллельно обмотке при помощи реостата, который замыкает её на себя. Без этого решения при проблемах с целостностью цепи возбуждения скачкообразный рост электрический движущей силы самоиндукции может привести к пробою изоляции. Самовозбуждение длится до момента, пока ток не достигает предельного значения, а ЭДС – номинальной величины.
-
Последовательным возбуждением. Соединённые последовательно обмотки создают ток, величина которого равна току электрогенератора. Возбуждение на холостом ходу будет нулевым, а значит, его характеристику без нагрузки не снять. Процесс возбуждения возможен только после подключения нагрузки к зажимам агрегата. Такие модели применяют для питания устройств с постоянной нагрузкой по причине зависимости напряжения от нагрузки.
-
Комбинированным / смешанным возбуждением – оснащают парой катушек. Одну подключают параллельно обмоткам, к ней также подсоединяют реостат для управления силой тока возбуждения. Вспомогательную катушку включают в цепь последовательно. Комбинированное возбуждение срезает пульсации напряжения под нагрузкой. Минусы схемы: высокая стоимость, разрушающее воздействие коротких замыканий.
Достоинства и недостатки
Плюсы:
-
Напряжение не зависит от оборотов вала.
-
Напряжение можно регулировать.
Минусы
-
Ускоренный износ механических компонентов из-за разбалансировки вала.
-
Быстрое истирание щёток при высоких оборотах.
Сферы применения
Область применения генераторов постоянного тока широка. Их используют для питания магнитных тормозов, лабораторного оборудования, зарядки аккумуляторов, от которых может осуществляться питание ротора генератора, и осветительных приборов различной техники. Устройства повышенной мощности справляются с питанием медицинского оборудования, организации освещения в местах без электроснабжения, электродвигателей общественного транспорта.
Генераторы переменного тока
Практически все электрогенераторы вырабатывают переменный электрический ток, используя внешнюю энергию: ветра, расщепления атомного ядра, движущегося поршня вследствие сгорания топлива или падающей с высоты на лопасти турбины воды.
Устройство и принцип действия
Основные узлы генератора переменного тока показаны на схеме. Это:
-
вырабатывающий магнитное поле индуктор – электромагнит с противоположными полюсами;
-
вращающаяся рамка;
-
обмотка, где образуется индуцированная ЭДС вследствие изменения магнитного потока;
-
контактные кольца и токосъёмные щётки, иногда представляющие собой пластины.
В мощных устройствах роль статора играет якорь, ротором является индуктор.
Якорь генератора выглядит как цилиндр с выступами, куда надевают катушки. Они соединены так, чтобы на выступах чередовались полюсы магнита, количество которых может превышать 12 штук. От их числа зависит частота вращения вала: чем больше, тем медленнее нужно вращаться ротору.
Имея шесть пар полюсов, ротору достаточно делать 500 об./мин., чтобы получить ток частотой 50 Гц.
Для увеличения магнитных потоков в якорь устанавливают цельнометаллический сердечник. Между ним и магнитом оставляют минимальный зазор, лишь бы ротор мог вращаться.
Ротор – гладкий цилиндр, в наружные пазы которого уложена обмотка. Геометрия наконечников такова, чтобы индуцированная ЭДС изменялась по синусоидальному закону при вращении ротора, соответственно, устройство вырабатывало синусоидальный ток.
Статор – неподвижный компонент электрогенератора. Выглядит как пустотелый цилиндр с пазами, в который уложены обмотки. Для минимизации токов Фуко кольцо производят из стальных листов, между ними размещают слои диэлектрика.
Внешняя механическая сила вращает ротор. В момент пересечения магнитных линий обмоткой якоря в обмотке статора индуцируется электрический ток. Его направление с каждым оборотом ротора меняется, поэтому на выходе генератора получается переменный ток.
Виды: синхронный и асинхронный
Генераторы бывают синхронными и асинхронными.
У синхронного есть обмоточный провод, стабилизирующий напряжение между движущимся и статичным узлами. Первый вращается с частотой вращения магнитного поля, пересекающего обмотку статора. В момент запуска ротор создаёт слабое электромагнитное поле, а после повышения оборотов в обмотке возбуждения его растёт сила. Полученное напряжение стабилизируется за счёт автоматики, изменяющей магнитное поле.
Недостаток асинхронных генераторов – нуждающийся в обслуживании щёточный узел.
Асинхронному генератору присущ режим торможения с вращающимся узлом. Сам ротор крутится с опережением, но имеет ту же ориентацию, что и статорное поле.
Статор создаёт силовое поле на вспомогательной обмотке, оно передаётся ротору, вследствие чего на обмотке формируется ЭДС, а полученное напряжение подаётся на блок управления.
Асинхронные машины бывают короткозамкнутыми или фазными. Их недостаток – нельзя управлять напряжением при установленных оборотах ротора, преимущество – почти не чувствительны к коротким замыканиям.
Количество фаз
Большинство генераторов переменного тока трёхфазные. Они имеют три обмотки, разнесённые на 120 °. Вращающийся ротор поочерёдно возбуждает в них переменную ЭДС, сдвинутую на треть такта.
Обмотки устройства представляют собой однофазный генератор, к концам которых можно подключать нагрузки.
Особенности трёхфазных генераторов:
-
Для минимизации количества проводников используют один общий провод – нейтраль.
-
К выходу устройства можно подключить понижающий трансформатор для превращения 380 В в нужные для бытового потребителя 220 Вольт.
-
Вырабатывают линейное и фазное напряжение.
-
При равной нагрузке на фазах заряды по нейтрали не «бегут».
Концы обмоток генераторов соединяют в одну точку. Получают четырёхполюсную схему, которую называют звездой. Когда конец одной обмотки подключается к началу второй, получается треугольник.
Инвертор
Инверторный генератор – электростанция, выдающая высококачественное электричество, параметры которого имеют минимальное отклонение от заданных за счёт электронного блока управления. Он состоит из:
-
бензинового или дизельного ДВС, который вращает ротор альтернатора;
-
самого переменного генератора;
-
инвертора или преобразователя;
-
элементов управления;
-
разъёмов для подключения нагрузки к источникам DC и AC.
Особенность агрегата – его можно настроить под текущие нужды потребителя, например, понизить выходящую мощность, что положительно отразится на расходе топлива и КПД.
Принцип работа инверторного генератора следующий:
-
После запуска ДВС он вращает ротор электрогенератора.
-
Последний вырабатывает переменное напряжение.
-
Оно направляется на преобразователь.
-
Выпрямительный блок повышает частоту электричества до десятков килогерц.
-
Электроток проходит сквозь фильтр, затем – конденсатор, которые превращают его в постоянный с нужным пользователю напряжением.
Инверторные генераторы выдают идеальную синусоиду, они тихие, экономичные, устойчивые к внешним воздействиям, но имеют ограничение по мощности – максимум 7 - 8 кВт, а при перегрузке работают не более нескольких секунд.
Достоинства и недостатки
Плюсы:
-
Невысокая стоимость выработанной электроэнергии.
-
Экономичность – на изготовление нужно до 3 раз меньше меди.
-
Увеличенный срок службы.
-
Больше мощность при одинаковом весе устройств.
-
Более надёжный токосъёмник.
Минусы:
-
Зависимость величины напряжения от оборотов вала ротора.
-
Сложность в ремонте, техническом обслуживании.
-
Нуждается в выпрямителе сигнала.
-
Под нагрузкой сильно греются обмотки.
-
Требует возбуждения для запуска.
Сферы применения
Свыше 95% используемых генераторов вырабатывают переменный ток. Их используют на всех типах электростанций, в качестве резервных (при недостатке питания) или аварийных (отсутствии напряжения) источников электропитания, электрифицируют объекты вдали от ЛЭП: полевые работы, строительные площадки, турпоходы, концерты, археологические раскопки. Агрегаты применяют для выработки электричества на предприятиях, в сфере государственной деятельности, на инфраструктурных объектах вроде учреждений здравоохранения, в бизнесе и быту при отключении электричества или его отсутствии, например, на загородном участке, во время отдыха на природе.
Заключение
Без электростанций существование цивилизации в её нынешнем виде невозможно, ведь получить электроэнергию другими способами нереально. Электрогенераторы постоянного и переменного тока почти идентичны. Электростанции постоянного тока включают в себя одну катушку и разрезанное кольцо, концы обмотки возбуждения подключаются к полукольцам (в простейшем случае). Медно-графитовые или медные токосъёмные щётки расположены диаметрально противоположно. Для выработки переменного тока нужны три обмотки, которые не соединяются электрически, и столько же цельных колец. Щётки размещаются рядом, а не на противоположных сторонах ротора.
Источники:
-
«Элементарный учебник физики» под ред. Ландсберга Г.С., Часть 2 ( Электричество и магнетизм.)