Электрический генератор тока – это устройство, предназначенное для превращения неэлектрических видов энергии (химической, механической, тепловой) в электрическую. При этом его конструкция базируется на использовании принципа электроманитной индукции.
Принцип действия и устройство простейшего генератора переменного тока
Электромагнитная индукция – это явление, которое было открыто в 1831 году английским физиком Майклом Фарадеем (1791-1867), обнаружившим, что при прохождении изменяющегося во времени магнитного потока сквозь замкнутый проводящий контур в последнем возникает электрический ток. Именно этот принцип и положен в основу любого генератора.
На практике принцип электромагнитной индукции реализуется следующим образом: электрический ток возникает в замкнутой рамке (роторе) при пересечении ее вращающимся магнитным полем, образуемым в зависимости от назначения и конструкции генератора постоянными магнитами или специальными обмотками возбуждения. При вращении рамки изменяется величина магнитного потока. Чем быстрее она вращается, тем выше величина выходного напряжения.
В 1827 году этот эффект обнаружил и использовал при создании оригинальной модели генератора электрического тока венгерский физик Аньош Иштван Йедлик (1800-1895). Однако, полагая его известным, ученый не запатентовал свое открытие, а о создании первой динамо-машины объявил только в 1850 году.
Для отвода электрического тока рамка оснащается токосъемником, который превращает ее в замкнутый контур и обеспечивает постоянный контакт вращающейся рамки со стационарно расположенными элементами генератора. Подпружиненные щетки прижимаются к коллекторным кольцам и таким образом электрический ток поступает на выходные клеммы генератора.
Вращаясь, половинки рамки последовательно проходят возле полюсов магнита. При этом происходит циклическая смена направления движения возникающего тока – у каждого полюса ток движется в одну сторону.
В зависимости от конструкции коллектора генератор может вырабатывать как постоянный, так и переменный ток.
- В генераторах постоянного тока для каждой половины обмотки в коллекторном узле имеются изолированные друг от друга полукольца. Благодаря тому, что эти полукольца постоянно меняются щетками, ток не изменяет своего направления, а просто пульсирует.
- В генераторах переменного тока концы рамки привязаны к контактным кольцам и вся эта конструкция вращается вокруг своей оси. При вращении рамки, щетки, каждая из которых плотно примыкает к своему кольцу, обеспечивают надежный токоотвод. При этом циклической смены положения щеток не происходит.
Вращающаяся часть генератора называется ротором, а неподвижная – статором.
Принцип действия электрогенераторов переменного и постоянного тока идентичен. Отличаются они между собой конструкцией контактных колец, расположенных на вращающемся роторе и конфигурацией обмоток.
В генераторах переменного тока часто используют оригинальное техническое решение, базирующееся на том, что ЭДС возникает в проводнике не только когда он вращается в магнитном поле, но и в том случае, когда относительно неподвижного проводника вращается само магнитное поле.
Этот эффект широко используется разработчиками, которые располагают на вращающемся роторе электрические или постоянные магниты. При этом напряжение снимается со стационарно установленной обмотки, что дает возможность избавиться от сложных конструкций токосъемных узлов.
Электрогенераторы переменного тока
Выпускается огромное количество самых разнообразных электрогенераторов переменного тока. Классифицировать их можно по таким параметрам:
- конструктивное исполнение;
- способ возбуждения;
- количество фаз.
По способу возбуждения потребителю могут встретиться агрегаты:
- с независимым возбуждением – обмотка возбуждения запитывается постоянным током от независимого источника электропитания;
- с самовозбуждением – в обмотку возбуждения подается выпрямленный ток от самого генератора;
- с возбуждением от постоянных магнитов – обмотка возбуждения отсутствует;
- с возбуждением от возбудителя – маломощного генератора постоянного тока, «сидящего» на одном валу с обслуживаемым генератором.
По количеству фаз электрогенераторы бывают:
- однофазные;
- двухфазные;
- трехфазные.
На практике чаще всего встречаются трехфазные генераторы переменного тока. Связано это с рядом преимуществ, характерных для этого вида агрегатов:
- получение экономического эффекта при разработке систем передачи электроэнергии на большие расстояния – снижение материалоемкости трансформаторных устройств и силовых проводов; Этому способствует наличие кругового магнитного поля;
- увеличенный эксплуатационный ресурс, который обеспечивает уравновешенность системы;
- одновременное использование линейного и фазового напряжения.
Конструктивно трехфазный электрогенератор имеет три независимые обмотки, расположенные в статоре по окружности со смещением в 120° относительно друг друга. При этом каждая обмотка представляет собой однофазный генератор, которая способна подавать переменное напряжение потребителю R. Такая единичная обмотка и получила название «фаза». Фазные обмотки могут соединяться между собой «треугольником» или «звездой».
Существуют и другие схемы соединения обмоток, например, шестипроводная система «Тесла» или соединение «Славянка» (сочетание шести обмоток в виде одной «звезды» и одного «треугольника), однако широкого распространения они не получили.
Роль рамки в устройствах, вырабатывающих переменный ток, исполняет электромагнит, который вращаясь, смещает индуцированные в обмотках переменные ЭДС на треть такта относительно друг друга.
Среди множества генераторов переменного тока различают два основных вида их конструктивного исполнения: синхронные и асинхронные. В последнее время, учитывая большое количество сложных электронных устройств, управляемых при помощи микропроцессоров, появился новый тип электрогенераторов – инверторный.
Синхронные электрогенераторы
Синхронный генератор переменного тока конструктивно состоит из двух частей – подвижного ротора и неподвижного статора.
При вращении ротора, представляющего собой электромагнит с сердечником и обмоткой возбуждения, подключенный к внешнему источнику питания при помощи щеточного механизма, в обмотке статора индуцируется ЭДС, которая подается на выходные клеммы генератора. Такая конструкция исключает необходимость применения скользящих контактов, что существенно упрощает конструкцию агрегата. Изначально магнитный поток возбуждается от стороннего возбудителя, закрепленного на общем валу и подключаемого к системе при помощи муфты.
В синхронных электрогенераторах малой мощности обмотка возбуждения запитывается за счет выпрямленного тока. При этом электрическая цепь образуется за счет активации трансформаторов, входящих в цепь нагрузки. Туда же включен и полупроводниковый выпрямитель. В состав основной электрической цепи входят:
- обмотка возбуждения;
- регулировочный реостат.
Основная особенность синхронного генератора – частота генерируемого электрического тока пропорциональна скорости вращения ротора.
Асинхронные электрогенераторы
Асинхронный генератор переменного тока отличается от синхронного отсутствием жесткой связи между частотами вращения ротора и индуцированной ЭДС. Разница между этими параметрами называется «скольжением». Между ротором и статором асинхронного генератора имеется воздушный зазор. При этом на частоту вырабатываемой ЭДС влияет тормозной момент, возникающий при подключении нагрузки и препятствующий вращению ротора. Поэтому электроэнергия в асинхронных электрогенераторах вырабатывается при увеличенной скорости прокручивания ротора.
Конструкция асинхронных генераторов отличается простотой, однако имеет при этом худшие, по сравнению с синхронными агрегатами, технические характеристики – погрешность по частоте может достигать 4%, а по величине напряжения – до 10%. Кроме того асинхронные электрогенераторы критичны к величине пускового тока. Поэтому эксплуатировать их рекомендуется совместно со стабилизаторами, а в отдельных случаях, например, для плавного пуска электродвигателя, может понадобиться преобразователь частоты.
Инверторные генераторы
Инверторный электрогенератор – это обычный асинхронный генератор, на выходе которого установлен дополнительный стабилизатор выходных параметров.
Работает он следующим образом: вырабатываемое асинхронным генератором напряжение поступает в инвертор, где сначала выпрямляется, а затем из полученного постоянного напряжения формируются импульсы заданной частоты и скважности. На выходе устройства эти импульсы преобразуются в синусоидальное напряжение с почти идеальными техническими характеристиками.
Привод генераторов переменного тока
В бытовых условиях ротор генератора приводят в действие при помощи двигателей внутреннего сгорания (ДВС), работающих на таких видах топлива, как бензин или дизельное топливо. При этом эксплуатационный ресурс бензиновых генераторов, оснащенных двухтактными ДВС составляет порядка 500 часов в год (не более 4 часов в сутки); четырехтактными ДВС достигает 5000 часов в год.
Использовать бензиновые электрогенераторы целесообразно при непродолжительных отключениях электричества и/или для выезда на природу.
Генераторы, работающие на дизельном топливе, отличаются большой мощностью и значительно долговечнее бензиновых. Среди них встречаются модели с воздушным и жидкостным охлаждением. Агрегаты с воздушным охлаждением рекомендуется применять в тех местах, где электричество отключают часто и надолго.
Пользоваться такими бытовыми устройствами предельно просто – нужно залить топливо в бак, поворотом ключа запустить двигатель и подключить нагрузку. Их панель управления снабжена всеми необходимыми и интуитивно понятными надписями и обозначениями.
Дизельные электрогенераторы с жидкостным охлаждением – это устройства совсем другой категории. Они способны работать сутками и используются в основном на предприятиях в качестве источников резервного питания.
Промышленные генераторы, предназначенные для выработки переменного тока и подачи его потребителям на большие расстояния с помощью высоковольтных линий электропередач (ЛЭП), работают за счет активации гидравлических или паровых турбин. В таких агрегатах роторный механизм соединяется непосредственно с колесом турбины.
Турбинные электрогенераторы отличаются большой мощностью (до 100000 кВт) и способны генерировать переменный ток напряжением до 16 кВ. При этом длина и диаметр их ротора может достигать 6,5 и 15 метров соответственно, а скорость вращения последнего находится в диапазоне 1500…3000 об/мин. Устанавливают такие агрегаты в отдельных помещениях на специально подготовленных бетонных основаниях.
Опции и возможности бытовых электрогенераторов
Для удобства эксплуатации производители оснащают свою продукцию рядом полезных опций, среди которых можно выделить:
- устройство автоматического запуска агрегата при отключении электроэнергии;
- наличие встроенного УЗО, отключающего устройство от электросети при пробое изоляции и появлении тока утечки;
- контроль параметров и отображение их на дисплее;
- защита от перегрузки.
При подключении к электрогенератору нагрузки, величина которой буде ниже паспортной, агрегат начнет «съедать» часть жидкого топлива впустую, не используя полностью свои возможности.
Не будет лишним наличие в комплекте поставки специального шумогасящего кожуха, топливного бака увеличенного объема, кожуха, защищающего агрегат от воздействия низкой температуры и пр.
Особенности установки
Потенциальный владелец генератора переменного тока перед приобретением должен озаботиться подготовкой места для его установки. Независимо от того, где будет установлен такой агрегат, в помещении или на свежем воздухе, для него понадобится ровная и твердая площадка. Установка электрогенератора на неровной площадке приведет к увеличению вибрации, что ускорит износ деталей и может спровоцировать выход дорогостоящего устройства из строя.
Устанавливая генератор в помещении, важно предусмотреть наличие вытяжной вентиляции. Кроме того, во время работы агрегата рекомендуется оставлять дверь помещения открытой, что в свою очередь потребует установить в дверном проеме решетку, перекрывающую посторонним, а главное детям, доступ в опасную зону.
Соединяют электрогенератор с электросетью в строгом соответствии с требованиями, изложенными в инструкции по эксплуатации. При этом электрический кабель необходимо подключить после вводного автомата и электросчетчика.