Генератор переменного тока: устройство и принципы работы. Устройство генератора переменного тока

Генератор тока. Устройство и прицип действия генератора.

Генератор тока преобразует механическую (кинетическую) энергию в электроэнергию. В энергетике пользуются только вращающимися электромашинными генераторами, основанными на возникновении электродвижущей силы (ЭДС) в проводнике, на который каким-либо образом действует изменяющееся магнитное поле. Ту часть генератора, которая предназначена для создания магнитного поля, называют индуктором, а часть, в которой индуцируется ЭДС – якорем.

Вращающуюся часть машины называют ротором, а неподвижную часть – статором. В синхронных машинах переменного тока индуктором обычно является ротор, а в машинах постоянного тока – статор. В обоих случаях индуктор представляет собой обычно двух- или многополюсную электромагнитную систему, снабженную обмоткой возбуждения, питаемой постоянным током (током возбуждения), но встречаются и индукторы, состоящие из системы постоянных магнитов. В индукционных (асинхронных) генераторах переменного тока индуктор и якорь не могут четко (конструктивно) различаться друг от друга (можно сказать, что статор и ротор одновременно являются и индуктором и якорем).

Более 95 % электроэнергии на электростанциях мира производится при помощи синхронных генераторов переменного тока. При помощи вращающегося индуктора в этих генераторах создается вращающееся магнитное поле, наводящее в статорной (обычно трехфазной) обмотке переменную ЭДС, частота которой точно соответствует частоте вращения ротора (находится в синхронизме с частотой вращения индуктора). Если индуктор, например, имеет два полюса и вращается с частотой 3000 r/min (50 r/s), то в каждой фазе статорной обмотки индуцируется переменная ЭДС частотой 50 Hz. Конструктивное исполнение такого генератора упрощенно изображено на рис. 1.

синхронный генератор

Рис. 1. Принцип устройства двухполюсного синхронного генератора. 1 статор (якорь), 2 ротор (индуктор), 3 вал, 4 корпус. U-X, V-Y, W-Z – размещенные в пазах статора части обмоток трех фаз

Магнитная система статора представляет собой спрессованный пакет тонких стальных листов, в пазах которого располагается статорная обмотка. Обмотка состоит из трех фаз, сдвинутых в случае двухполюсной машины друг относительно друга на 1/3 периметра статора; в фазных обмотках индуцируются, следовательно, ЭДС, сдвинутые друг относительно друга на 120o. Обмотка каждой фазы, в свою очередь, состоит из многовитковых катушек, соединенных между собой последовательно или параллельно. Один из наиболее простых вариантов конструктивного исполнения такой трехфазной обмотки двухполюсного генератора упрощенно представлен на рис. 2 (обычно число катушек в каждой фазе больше, чем показано на этом рисунке). Те части катушек, которые находятся вне пазов, на лобовой поверхности статора, называются лобовыми соединениями.

трехфазный двухполюсный синхронный генератор

Рис. 2. Простейший принцип устройства статорной обмотки трехфазного двухполюсного синхронного генератора в случае двух катушек в каждой фазе. 1 развертка поверхности магнитной системы статора, 2 катушки обмотки, U, V, W начала фазных обмоток, X, Y, Z концы фазных обмоток

Полюсов индуктора и, в соответствии с этим, полюсных делений статора, может быть и больше двух. Чем медленнее вращается ротор, тем больше должно быть при заданной частоте тока число полюсов. Если, например, ротор вращается с частотой 300 r/min, то число полюсов генератора, для получения частоты переменного тока 50 Hz, должно быть 20. Например, на одной из крупнейших гидроэлектростанций мира, ГЭС Итайпу (Itaipu, см. рис. 4) генераторы, работающие на частоте 50 Hz, исполнены 66-полюсными, а генераторы, работающие на частоте 60 Hz – 78-полюсными.

Обмотка возбуждения двух- или четырехполюсного генератора размещается, как показано на рис. 1, в пазах массивного стального сердечника ротора. Такая конструкция ротора необходима в случае быстроходных генераторов, работающих при частоте вращения в 3000 или 1500 r/min (особенно для турбогенераторов, предназначенных для соединения с паровыми турбинами), так как при такой скорости на обмотку ротора действуют большие центробежные силы. При большем числе полюсов каждый полюс имеет отдельную обмотку возбуждения (рис. 3.12.3). Такой явнополюсный принцип устройства применяется, в частности, в случае тихоходных генераторов, предназначенных для соединения с гидротурбинами (гидрогенераторов), работающих обычно при частоте вращения от 60 r/min до 600 r/min.

Очень часто такие генераторы, в соответствии с конструктивным исполнением мощных гидротурбин, выполняются с вертикальным валом.

тихоходный синхронный генератор

Рис. 3. Принцип устройства ротора тихоходного синхронного генератора. 1 полюс, 2 обмотка возбуждения, 3 колесо крепления, 4 вал

Обмотку возбуждения синхронного генератора обычно питают постоянным током от внешнего источника через контактные кольца на валу ротора. Раньше для этого предусматривался специальный генератор постоянного тока (возбудитель), жестко связанный с валом генератора, а в настоящее время используются более простые и дешевые полупроводниковые выпрямители. Встречаются и системы возбуждения, встроенные в ротор, в которых ЭДС индуцируется статорной обмоткой. Если для создания магнитного поля вместо электромагнитной системы использовать постоянные магниты, то источник тока возбуждения отпадает и генератор становится значительно проще и надежнее, но в то же время и дороже. Поэтому постоянные магниты применяются обычно в относительно маломощных генераторах (мощностью до нескольких сотен киловатт).

Конструкция турбогенераторов, благодаря цилиндрическому ротору относительно малого диаметра, очень компактна. Их удельная масса составляет обычно 0,5…1 kg/kW, и их номинальная мощность можеь достигать 1600 MW. Устройство гидрогенераторов несколько сложнее, диаметр ротора велик и удельная масса их поэтому обычно 3,5…6 kg/kW. До настоящего времени они изготовлялись номинальной мощностью до 800 MW.

При работе генератора в нем возникают потери энергии, вызванные активным сопротивлением обмоток (потери в меди), вихревыми токами и гистерезисом в активных частях магнитной системы (потери в стали) и трением в подшипниках вращающихся частей (потери на трение). Несмотря на то, что суммарные потери обычно не превышают 1…2 % мощности генератора, отвод тепла, освобождающегося в результате потерь, может оказаться затруднительным. Если упрощенно считать, что масса генератора пропорциональна его мощности, то его линейные размеры пропорциональны кубическому корню мощности, а поверхностные размеры – мощности в степени 2/3. С увеличением мощности, следовательно, поверхность теплоотвода растет медленнее, чем номинальная мощность генератора. Если при мощностях порядка нескольких сотен киловатт достаточно применять естественное охлаждение, то при бoльших мощностях необходимо перейти на принудительную вентиляцию и, начиная приблизительно со 100 MW, использовать вместо воздуха водород. При еще больших мощностях (например, более 500 MW) необходимо дополнить водородное охлаждение водным. У крупных генераторах надо специально охлаждать и подшипники, обычно используя для этого циркуляцию масла.

Тепловыделение генератора можно значительно уменьшить путем применения сверхпроводящих обмоток возбуждения. Первый такой генератор (мощностью 4 MVA), предназначенный для применения на судах, изготовила в 2005 году немецкая электротехническая фирма Сименс (Siemens AG) [3.24]. Номинальное напряжение синхронных генераторов, в зависимости от мощности, находится обычно в пределах от 400 V до 24 kV. Использовались и более высокие номинальные напряжения (до 150 kV), но чрезвычайно редко. Кроме синхронных генераторов сетевой частоты (50 Hz или 60 Hz) выпускаются и высокочастотные генераторы (до 30 kHz) и генераторы пониженной частоты (16,67 Hz или 25 Hz), используемые на электрифицированных железных дорогах некоторых европейских стран. К синхронным генераторам относится, в принципе, и синхронный компенсатор, представляющий собой синхронный двигатель, работающий на холостом ходу и отдающий в высоковольтную распределительную сеть реактивную мощность. При помощи такой машины можно покрыть потребление реактивной мощности местных промышленных электропотребителей и освободить основную сеть энергосистемы от передачи реактивной мощности.

Кроме синхронных генераторов относительно редко и при относительно малых мощностях (до нескольких мегаватт) могут использоваться и асинхронные генераторы. В обмотке ротора такого генератора ток индуцируется магнитным полем статора, если ротор вращается быстрее, чем статорное вращающееся магнитное поле сетевой частоты. Необходимость в таких генераторах возникает обычно тогда, когда невозможно обеспечить неизменную скорость вращения первичного двигателя (например, ветряной турбины, некоторых малых гидротурбин и т. п.).

У генератора постоянного тока магнитные полюсы вместе с обмоткой возбуждения располагаются обычно в статоре, а обмотка якоря – в роторе. Так как в обмотке ротора при его вращении индуцируется переменная ЭДС, то якорь необходимо снабжать коллектором (коммутатором), при помощи которого на выходе генератора (на щетках коллектора) получают постоянную ЭДС. В настоящее время генераторы постоянного тока применяются редко, так как постоянный ток проще получать при помощи полупроводниковых выпрямителей.

К электромашинным генераторам относятся и электростатические генераторы, на вращающейся части которых путем трения (трибоэлектрически) создается электрический заряд высокого напряжения. Первый такой генератор (вращаемый вручную серный шар, который электризовался при трении об руку человека) изготовил в 1663 году мэр города Магдебурга (Magdeburg, Германия) Отто фон Гюрике (Otto von Guericke, 1602–1686). В ходе своего развития такие генераторы позволяли открывать многие электрические явления и закономерности. Они и сейчас не потеряли своего значения как средств проведения экспериментальных исследований по физике.

Первый магнитоэлектрический генератор изготовил 4 ноября 1831 года профессор Лондонского Королевского института (Royal Institution) Майкл Фарадей (Michael Faraday, 1791–1867). Генератор состоял из подковообразного постоянного магнита и медного диска, вращающегося между магнитными полюсами (рис. 3.12.4). При вращении диска между его осью и краем индуцировалась постоянная ЭДС. По такому же принципу устроены более совершенные униполярные генераторы, находящие применение (хотя относительно редко) и в настоящее время.

униполярный генератор

Рис. 4. Принцип устройства униполярного генератора Майкла Фарадея. 1 магнит, 2 вращающийся медный диск, 3 щетки. Рукоятка диска не показана

Майкл Фарадей родился в бедной семье и после начальной школы, в возрасте 13 лет, поступил учеником переплетчика книг. По книгам он самостоятельно продолжал свое образование, а по Британской энциклопедии ознакомился с электричеством, изготовил электростатический генератор и лейденскую банку. Для расширения своих знаний он начал посещать публичные лекции по химии директора Королевского института Гемфри Дэви (Humphrey Davy, 1778–1829), а в 1813 году получил должность его ассистента. В 1821 году он стал главным инспектором этого института, в 1824 году – членом Королевского общества (Royal Society) и в 1827 году – профессором химии Королевского института. В 1821 году он начал свои знаменитые опыты по электричеству, в ходе которых предложил принцип действия электродвигателя, открыл явление электромагнитной индукции, принцип устройства магнитоэлектрического генератора, закономерности электролиза и много других основополагающих физических явлений. Спустя год после вышеописанного опыта Фарадея, 3 сентября 1832 года, парижский механик Ипполит Пикси (Hippolyte Pixii, 1808–1835) изготовил по заказу и под руководством основоположника электродинамики Андре Мари Ампера (Andre Marie Ampere, 1775–1836) генератор с вращаемым вручную, как у Фарадея, магнитом (рис. 5). В якорной обмотке генератора Пикси индуцируется переменная ЭДС. Для выпрямления получаемого тока к генератору вначале пристроили открытый ртутный коммутатор, переключающий полярность ЭДС при каждом полуобороте ротора, но вскоре он был заменен более простым и безопасным цилиндрическим щеточным коллектором, изображенным на рис. 5.

магнитоэлектрический генератор

Рис. 5. Принцип устройства магнитоэлектрического генератора Ипполита Пикси (a), график индуцируемой ЭДС (b) и график получаемой при помощи коллектора пульсирующей постоянной ЭДС (c). Рукоятка и конусная зубчатая передача не показаны

Генератор, построенный по принципу Пикси, впервые применил в 1842 году на своем заводе в Бирмингеме (Birmingham) для электропитания гальванических ванн английский промышленник Джон Стивен Вульрич (John Stephen Woolrich, 1790–1843), использовав в качестве приводного двигателя паровую машину мощностью 1 л. с. Напряжение его генератора составляло 3 V, номинальный ток – 25 A и кпд – около 10 %. Такие же, но более мощные генераторы быстро начали внедряться и на других гальванических предприятиях Европы. В 1851 году немецкий военный врач Вильгельм Йозеф Зинштеден (Wilhelm Josef Sinsteden, 1803–1891) предложил использовать в индукторе вместо постоянных магнитов электромагниты и питать их током от меньшего вспомогательного генератора; он же обнаружил, что кпд генератора увеличится, если стальной сердечник электромагнита изготовить не массивным, а из параллельных проволок. Однако идеи Зинштедена стал реально использовать только в 1863 году английский электротехник-самоучка Генри Уайльд (Henry Wilde, 1833–1919), который предложил, среди прочих нововведении, насадить машину-возбудитель (англ. exitatrice) на вал генератора. В 1865 году он изготовил генератор невиданной доселе мощности в 1 kW, при помощи которого он мог демонстрировать даже плавку и сварку металлов.

Важнейшим усовершенствованием генераторов постоянного тока стало их самовозбуждение, принцип которого запатентовал в 1854 году главный инженер государственных железных дорог Дании Сёрен Хьёрт (Soren Hjorth, 1801–1870), но не нашедшее в то время практического применения. В 1866 году этот принцип снова открыли независимо друг от друга несколько электротехников, в том числе уже упомянутый Г. Уайльд, но широко известным он стал в декабре 1866 года, когда немецкий промышленник Эрнст Вернер фон Сименс (Ernst Werner von Siemens, 1816–1892) применил его в своем компактном и высокоэффективном генераторе. 17 января 1867 года в Берлинской академии наук был прочитан его знаменитый доклад о динамоэлектрическом принципе (о самовозбуждении). Самовозбуждение позволило отказатьса от вспомогательных генераторов возбуждения (от возбудителей), что обусловило возможность выработки намного более дешевой электроэнергии в больших количествах. По этой причине год 1866 часто считают годом зарождения электротехники сильного тока. В первых самовозбуждающихся генераторах обмотку возбуждения включали, как у Сименса, последовательно (сериесно) с якорной обмоткой, но в феврале 1867 года английский электротехник Чарлз Уитстон (Charles Wheatstone, 1802–1875) предложил параллельное возбуждение, позволяющее лучше регулировать ЭДС генератора, к которому он пришел еще до сообщений о последовательном возбуждении, открытом Сименсом (рис. 6).

генераторы постоянного тока

Рис. 6. Развитие систем возбуждения генераторов постоянного тока. a возбуждение при помощи постоянных магнитов (1831), b внешнее возбуждение (1851), c последовательное самовозбуждение (1866), d параллельное самовозбуждение (1867). 1 якорь, 2 обмотка возбуждения. Регулировочные реостаты тока возбуждения не показаны

Необходимость в генераторах переменного тока возникла в 1876 году, когда работающий в Париже русский электротехник Павел Яблочков (1847–1894) стал освещать городские улицы при помощи изготовляемых им дуговых ламп переменного тока (свечей Яблочкова). Первые необходимые для этого генераторы создал парижский изобретатель и промышленник Зеноб Теофиль Грамм (Zenobe Theophile Gramme, 1826–1901). С началом массового производства ламп накаливания в 1879 году переменный ток на некоторое время потерял свое значение, но снова обрел актуальность в связи с ростом дальности передачи электроэнергии в середине 1880-х годов. В 1888–1890 годах владелец собственной научно-исследовательской лаборатории Тесла-Электрик (Tesla-Electric Co., Нью-Йорк, США) эмигрировавший в США сербский электротехник Никола Тесла (Nikola Tesla, 1856–1943) и главный инженер фирмы АЭГ (AEG, Allgemeine Elektricitats-Gesellschaft) эмигрировавший в Германию русский электротехник Михаил Доливо-Добровольский (1862–1919) разработали трехфазную систему переменного тока. В результате началось производство все более мощных синхронных генераторов для сооружаемых тепло- и гидроэлектростанций.

Важным этапом в развитии турбогенераторов может считаться разработка в 1898 году цилиндрического ротора совладельцем швейцарского электротехнического завода Браун, Бовери и компания (Brown, Boveri & Cie., BBC) Чарлзом Эженом Ланселотом Брауном (Charles Eugen Lancelot Brown, 1863–1924). Первый генератор с водородным охлаждением (мощностью 25 MW) выпустила в 1937 году американская фирма Дженерал Электрик (General Electric), а с внутрипроводным водяным охлаждением – в 1956 году английская фирма Метрополитен Виккерс (Metropolitan Vickers).

www.eti.su

Устройство генератора переменного тока.

⇐ ПредыдущаяСтр 3 из 4Следующая ⇒

Генератор переменного тока - устройство и принцип работы

После открытия явления электромагнитной индукции М. Фарадеем в 1831 году были изобретены разнообразные электрические машины. Электрогенераторы среди них являются основой всех современных электросетей. Они являются источниками электроэнергии и первыми определяют её количество и качество. Прежде чем появляется возможность использования электричества потребителями необходимо не один раз выполнить преобразование напряжения для уменьшения потерь определяемых передачей электроэнергии.

По этой причине наиболее эффективными уже долгое время являются электросети с переменным напряжением и током. Их частота в разных странах выбирается либо 50, либо 60 Герц, потому что эти значения опять-таки наиболее экономически оправданы на нынешнем этапе развития науки и техники. В самом начале любой электрической сети находится один или несколько синхронных генераторов переменного тока.

Принцип работы

Чтобы в проводнике появился электроток, силовые линии магнитного поля должны быть подвижными относительно этого проводника. С этой целью в генераторе переменного тока подвижный вращающийся магнит, который своим магнитным полем пересекает неподвижные проводники. Он расположен на вале, вращаемом внешним источником механической энергии.

Вал с магнитом называется ротором или индуктором. Конструктивно ротор может быть выполнен как с постоянным магнитом из специального магнитного материала, так и с электромагнитом. Такая электрическая машина называется синхронной, поскольку магнитное поле в ней вращается вместе с ротором.

Для получения наиболее эффективного магнитного поля наибольшее распространение получила конструкция с ротором, изготовленным из специальных сплавов в виде сердечника охваченного витками обмотки, по которой течёт постоянный ток. Обмотка называется как «обмотка возбуждения». Источник тока возбуждения может быть как внешним, так и встроенным в ротор. Внешний источник подключается к двум неподвижным щёткам.

Последние расположены на основании, относительно которого вращается ротор, и образуют скользящие контакты с двумя соответствующими кольцами, расположенными на роторе. Встроенный источник является отдельной обмоткой с выпрямителем переменного тока. Его преимущество состоит в том, что скользящие контакты исключены из такой конструкции. Роторы могут конструктивно отличаться. Они делаются явнополюсными, неявнополюсными, снабжаются демпферными обмотками.

Для того чтобы получить необходимое значение частоты тока и напряжение надо за единицу времени получить определённое число пересечений силовых линий магнитного поля с проводником. С целью наиболее эффективного взаимодействия магнитного поля и проводника он выполнен в виде витков обмотки расположенных на сердечнике из специального сплава. Таких сердечников делается столько, сколько потребуется в соответствии с решаемой технической задачей.

Они располагаются вокруг ротора и называются статором. Каждый сердечник статора состоит из двух частей, между которыми с некоторым зазором расположен ротор. Эти две части образуют так называемую пару полюсов электрогенератора. При вращении противоположные магнитные полюсы ротора перемещаются мимо противоположных частей сердечника статора.

Пары полюсов располагаются на основании относительно которого перемещается ротор. Конструктивно это основание выполнено в виде корпуса генератора переменного тока. Статор, щётки, кольца и ротор скрыты внутри корпуса. Из него выступает вал и клеммы щёток. При вращении вала внешней силой например турбиной статор является источником Э.Д.С. Частота напряжения и тока в статоре зависят от того сколько раз за единицу времени магнитный полюс ротора перемещается мимо сердечников статора.

Конструктивные разновидности

Поэтому влиять на частоту напряжения и тока можно либо скоростью вращения ротора, либо числом пар полюсов, либо и тем и другим вместе. При замедлении скорости вращения ротора для сохранения частоты напряжения и тока следует увеличивать число пар полюсов. Этим отличаются генераторы тепловых электростанций от генераторов гидроэлектростанций и ветряков.

Паровая турбина вращается быстро, а гидротурбина – медленно. Но при этом частота напряжения и тока, которые вырабатывают оба этих генератора одинаковые. Однако у генератора гидроэлектростанции число пар полюсов в несколько раз больше, и они чаще всего делаются с явнополюсными роторами. Генераторы на тепловых электростанциях по причине больших скоростей вращения в 1500 и 3000 об/мин делаются с неявнополюсными роторами. Число пар полюсов зависит и от количества фаз. Одной фазе соответствует одна пара полюсов статора. Поэтому трёхфазные варианты содержат три пары полюсов, как минимум.

Пространственное расположение пар полюсов в многофазных генераторах определяет фазовый сдвиг напряжений и токов в фазных обмотках.

Пространственное расположение генераторов в рабочем состоянии по положению оси вращения ротора может быть как горизонтальным, так и вертикальным. Работа с паровой или газовой турбиной по причине больших центробежных нагрузок предусматривает только горизонтальное расположение, минимально возможный диаметр и максимально возможную длину генератора. Пример такой электрической машины показан на изображении ниже:

На гидроэлектростанциях в зависимости от напора воды могут использоваться как горизонтальные, так и вертикальные конструкции этих электрических машин. Существуют специальные конструкции явнополюсных генераторов относительно небольших мощностей порядка десяти киловатт. В них индуктор (которым обычно является ротор) неподвижен, а якорь (которым обычно является статор) вращается. Вырабатываемая электроэнергия через кольца и щётки поступает в нагрузку.

Ещё одной разновидностью источника электрической энергии является асинхронный генератор переменного тока. Он имеет наиболее простую конструкцию и высокую надёжность. Но его энергетические характеристики, стабильность частоты напряжения и тока невелики по сравнению с синхронными машинами. Это ограничивает область использования асинхронных генераторов. Они применяются лишь там, где необходима простота, надёжность и наименьшие расходы.

podvi.ru

Устройство генератора переменного тока

Поиск Лекций

СВЕРДЛОВСКАЯ

ЖЕЛЕЗНАЯ ДОРОГА

СВЕРДЛОВСКИЙ УЧЕБНЫЙ ЦЕНТР

ПРОФЕССИОНАЛЬНЫХ КВАЛИФИКАЦИЙ

Пермское подразделение

ПОУРОЧНОЕ УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ С РАЗДАТОЧНЫМ МАТЕРИАЛОМ

ДЛЯ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЙ ПОДГОТОВКИ УЧАЩИХСЯ ВСЕХ НАПРАВЛЕНИЙ

По предмету «ЭЛЕКТРОТЕХНИКА»

Тема: "Переменный ток. Электрические цепи переменного тока. Электрические машины переменного тока."

Автор: преподаватель Касимов Владимир Хабирович

Рассмотрено на заседании цикловой комиссии УЦПК-3 ( протокол от 12.08.2014 №8) и рекомендовано для использования в качестве учебного пособия для обучающихся указанных профессий

г. Пермь

ПЕРЕМЕННЫЙ ТОК

История

Электрические машины, генерирующие переменный ток, были известны в простом виде со времён открытия магнитной индукции электрического тока. Ранние машины были разработаны Майклом Фарадеем и Ипполитом Пикси.

Фарадей разработал «вращающийся прямоугольник», действие которого было многополярным — каждый активный проводник пропускался последовательно через область, где магнитное поле было в противоположных направлениях. Первая публичная демонстрация наиболее сильной «альтернаторной системы» имела место в 1886 году. Большой двухфазный генератор переменного тока был построен британским электриком Джеймсом Эдвардом Генри Гордоном в 1882 году. Лорд Кельвин и Себастьян Ферранти также разработали ранний альтернатор, производивший переменный ток частотой между 100 и 300 герц. В 1891 году Никола Тесла запатентовал практический «высокочастотный» альтернатор (который действовал на частоте около 15000 герц). После 1891 года были изобретены многофазные альтернаторы.

Получение переменного тока.

Поместим в постоянное и однородное магнитное поле виток проволоки .

При равномерном вращении этого витка вокруг оси магнитный поток, пронизывающий его площадь, будет непрерывно меняться как по величине, так и по направлению.

Вследствие этого, согласно закону электромагнитной индукции, в витке возникает переменная по величине и направлению э. д. с. индукции.

Когда плоскость вращающегося витка становится перпендикулярна Э.Д.С. в витке имеет нулевое значение, так как силовые линии не пересекают проводники, так как при прохождении через это положение проводники витка скользят вдоль силовых линий поля, не пересекая их. Следовательно, э. д. с. индукции, возникающая в витке, которая пропорциональна скорости изменения потока, будет равна нулю.

Когда же плоскость витка параллельна силовым линиям поля, поток, пронизывающий её, равен нулю, скорость же изменения его при прохождении через это положение наибольшая, так как проводники витка движутся перпендикулярно к силовым линиям поля.

Э. д. с., возникшая в этом случае в витке, имеет наибольшее значение. При дальнейшем повороте витка э. д. с., сохраняя неизменным направление, будет уменьшаться, и в положении, изображённом на рисунке, величина э. д. с. станет опять равной нулю, так как в этом положении при наибольшей величине магнитного потока, пронизывающего плоскость витка, скорость изменения его наименьшая.

При дальнейшем вращении витка скорость изменения потока, пронизывающего виток, будет увеличиваться; следовательно, э. д. с. по абсолютной величине будет возрастать. Но так как виток движется теперь навстречу магнитным силовым линиям другой стороной плоскости, то направление э. д. с. в нём изменяется на противоположное. Это направление э. д. с. сохранится и при дальнейшем движении витка, при этом абсолютная величина её будет убывать до нуля.

При последующих оборотах витка все эти явления будут повторяться вновь.

Ток, возникающий в витке при равномерном вращении его в однородном магнитном поле, как показывает осциллограмма, изображённая на следующем рисункеизменяется синусоидально. Такой ток называется переменным синусоидальным током.

Промежуток времени, в течение которого э. д. с. совершает одно полное колебание, называется периодом переменного тока. Число полных колебаний за 1 сек называется частотой тока и обозначается буквой /. Единица частоты называется Герц (Гц).

Устройство генератора переменного тока

Генератор с вращающимися магнитными полюсами и неподвижным статором.

По конструкции можно выделить

генераторы с неподвижными магнитными полюсами и вращающимся якорем;
генераторы с вращающимися магнитными полюсами и неподвижным статором. Получили наибольшее распространение, так как благодаря неподвижности статорной обмотки отпадает необходимость снимать с ротора большой ток высокого напряжения с использованием скользящих контактов (щёток) и контактных колец.

Подвижная часть генератора называется ротор, а неподвижная — статор.

Статор собирается из отдельных железных листов, изолированных друг от друга. На внутренней поверхности статора имеются пазы, куда вкладываются провода якорной обмотки генератора.

Ротор изготавливается обычно из сплошного железа, полюсные наконечники магнитных полюсов ротора собираются из листового железа.

На сердечники полюсов посажены катушки возбуждения, питаемые постоянным током. Постоянный ток подводится с помощью щёток к контактным кольцам, расположенным на валу генератора.

По способу возбуждения генераторы переменного тока делятся на

генераторы, обмотки возбуждения которых питаются постоянным током от постороннего источника электрической энергии, например от аккумуляторной батареи (генераторы с независимым возбуждением).
генераторы, обмотки возбуждения которых питаются от постороннего генератора постоянного тока малой мощности (возбудителя), сидящего на одном валу с обслуживаемым им генератором.
генераторы, обмотки возбуждения которых питаются выпрямленным током самих же генераторов (генераторы с самовозбуждением). генераторы с возбуждением от постоянных магнитов.

Конструктивно можно выделить

генераторы с явно выраженными полюсами;
генераторы с неявно выраженными полюсами.

По количеству фаз можно выделить

Однофазные генераторы.
Двухфазные генераторы.
Трёхфазные генераторы.
По соединению фазных обмоток трёхфазного генератора

Соединение «звездой»
Соединение «треугольником».

Как правило, наиболее распространено соединение «звездой» с нейтральным проводом (четырёхпроводная схема).

Так как на практике нагрузка на разные фазы не является симметричной (подключается разная электрическая мощность, или например, активная нагрузка на одной фазе, а на другой реактивная или ёмкостная, то при соединении «треугольником» или «звездой» без нейтрального провода можно получить такое неприятное явление как «перекос фаз», например, лампы накаливания, подключенные к одной из фаз, слабо светятся, а на другие фазы подаётся чрезмерно большое электрическое напряжение и включенные приборы благополучно «сгорают».

К трёхфазному генератору (соединение «звездой») подключена активная нагрузка (соединение «звездой») с нейтральным проводом.

К трёхфазному генератору (соединение «треугольником») подключена активная нагрузка (соединение «треугольником»).

poisk-ru.ru

Устройство генератора переменного тока

Устройство генератора переменного тока Для начала давайте разберемся, зачем нужен переменный ток? Как известно, в первых электрических установках применялся только ток постоянный. Но со временем испытатели пришли к выводу, что гораздо выгодней с экономической точки зрения использовать переменный ток, то есть такой, у которого показатели направления и значения не являются неизменными.

С тех пор все шире применяются генераторы переменного тока.

Принцип устройства генератора переменного тока

Переменный ток вырабатывается на электростанциях при помощи специальных электромашинных синхронных генераторов. Основное, что нужно знать для понимания их принципа действия, — это электромагнитная индукция. При помощи паровой или водяной турбины образуются значения механической энергии, которая при помощи преобразования изменяется в электрическую энергию.

Как правило, подобное устройство состоит из проводов и трех больших катушек. Под действием электрического магнита происходит вращение ротора или привода. При этом появляется магнитное поле, которое передается на статоры.

Напряжение передается при помощи коллекторных щеток и колец. Это происходит следующим образом: происходит вращение коленвала и вместе с ним, роторных колец из меди, после чего под действием этого вращения к ротору примыкают щетки. Таким образом происходит передача электрического тока от частей генератора, находящихся в неподвижном состоянии, к его вращающимся частям. Так производятся магнитные поля, которые, в свою очередь, производят электрические потоки, при помощи которых и заряжается аккумулятор.

Давайте посмотрим, какие генераторы бывают и что входит в их конструкцию.Прежде всего рассмотрим индукционные генераторы. В их конструкцию обязательно входит магнит, который позволяет создать магнитные поля. Второй важной частью является обмотка, на которой происходит индукция электро-движущей силы. Эта сила по своему значению прямо пропорциональна значению магнитного переменного потока.

Для того чтобы сгенерировать магнитный поток, в генераторе применяется конструкция, в которую входят два стальных сердечника. В одном из них находится обмотка для создания магнитного поля, а в другом – обмотка для создания электро-движущей силы. В результате вращения сердечника (вращающийся сердечник называется ротор) появляется магнитное поле. Сердечник, который находится в неподвижном положении, называется статор. Сердечники должны быть расположены максимально близко друг к другу, в этом случае поток магнитного поля будет сильней.

Генераторы, которые используются в промышленных целях, включают электромагнит как основную вращающуюся часть и неподвижный статор. Для того чтобы к ротору подводился ток, используется система со скользящими контактами. генератор

Кроме того, стоит упомянуть о такой важной составляющей части ротора как щетки. Они находятся в неподвижном положении и связывают его обмотку с частью внешней цепи. Очень важен тот момент, что генератор отдает наружу ток гораздо большей силы, чем сила тока, возникающая в его обмотках при появлении магнитного поля. Именно поэтому ток получают с неподвижной части обмоток.

Для выработки тока для работы генератора используется еще один генератор, который называется возбудитель и подает постоянный ток.

Если генератор не отличается большой мощностью, то можно обойтись без колец и щеток, только при помощи вращающегося магнита.

Как правило, промышленные генераторы отличаются очень серьезными размерами. Но при этом размер каждой запчасти там выверен до малейшего миллиметра. Именно благодаря точности конструкции удается добиться генерации мощного потока электроэнергии.

Стоит также выделить синхронные и асинхронные генераторы. Асинхронный более прост в своей конструкции, отличается невысокой стоимостью, но при этом- большой устойчивостью к перегрузкам и коротким замыканиям. Сфера его применения очень широка – от ламп накаливания до электронагревателей и сложной электроники. Но стоит иметь в виду, что этот вид генераторов плохо относится к кратковременным перегрузкам и при выборе важно закладывать запас мощности.

Синхронные генераторы отличаются гораздо более высокой устойчивостью к перегрузкам, они способны выдержать до пятикратной перегрузки.

Генераторы переменного тока широко применяются в конструкции автомобилей.

Если рассмотреть конструкцию трехфазного автомобильного генератора, то внешне он выглядит как корпус с вентиляционными отверстиями. Вращение ротора происходит в подшипниках и начинается под действием шкива. На электромагните-роторе одна обмотка, на которую подается ток под воздействием щеток и колец из меди. Также важной частью является реле, регулирующее максимальную мощность напряжения.В статор входит треугольник из трех обмоток из меди. Также используются полупроводниковые диоды, которые преобразуют напряжение в постоянное.

В некоторых случаях для запуска генератора используется бензиновый двигатель, такой генератор соответственно называется бензиновым.

Широкое распространение генераторов переменного тока сегодня доказывает их эффективность и экономическую целесообразность. Генераторы постоянного тока сегодня используются гораздо реже, хотя в некоторых сферах они еще сохранились. Самая известная и широкая сфера их применения – это электротранспорт, знакомые всем нам троллейбусы и трамваи. В промышленности же практически повсеместно применяются генераторы, генерирующие переменный ток. Порой они совершенно гигантских размеров и производят огромные объемы электроэнергии в истинно промышленных масштабах. При этом конструкция и принцип действия подобных генераторов достаточно просты и понятны.

jelektro.ru

Устройство генератора постоянного и переменного тока

Сегодня тематика электроснабжения интересна многим пользователям. Пытаясь разобраться в особенностях современных систем электроснабжения, человек сталкивается с вопросом – как работает и устроен генератор тока. В действительности, в этом устройстве нет ничего чрезвычайно сложного и в его особенностях может разобраться любой желающий.

Конструктивные и эксплуатационные особенности генераторов тока

Генератором тока называют устройство, преобразующее механическую энергию в электричество. Современные генераторы способны вырабатывать как переменный, так и постоянный электрический ток. Самым простым примером использования генераторов являются автомобили. До середины прошлого столетия в автотранспорте устанавливали генераторы постоянного тока, которые впоследствии были заменены компактными, функциональными и современными генераторами переменного тока с полупроводниковыми диодами.

Принцип работы генератора

Генераторы тока преобразовывают механическую энергию в электрическую, за счет вращения проволочной катушки в магнитном поле – закон электромагнитной индукции Фарадея. В качестве примера можно рассмотреть конструкцию и принцип работы простого генератора переменного тока, состоящего из проволочной рамки, которая вращается между полюсами неподвижного магнитного элемента. Концы проволочной рамки соединяются с контактным кольцом, скользящим по электропроводной щетке. В этом случае индуцированный ток будет протекать к внутреннему контактному кольцу при прохождении соединенной половины рамки мимо северного магнитного полюса. И наоборот, если другая половина рамки будет проходить мимо северного полюса магнита, электроток будет двигаться к внешнему контактному кольцу.

Трехфазные генераторы отлично подходят для выработки мощного переменного тока с минимальными затратами. Работа таких устройств основана на использовании одного магнита, который вращается относительно нескольких обмоток. Стандартные трехфазные генераторы обладают тремя катушками, расположенными на одинаковом расстоянии от оси магнита. В этом случае каждая катушка генератора будет вырабатывать электрический переменный ток при прохождении рядом с полюсом магнита.

Синхронные и асинхронные генераторы тока

По принципу работы все генераторы электрического тока разделяются на синхронные и асинхронные.

Асинхронные устройства отличаются низкой стоимостью и простотой, они обладают высокой устойчивостью к перегрузкам и коротким замыканиям. Такие приборы чаще всего используются для питания активной нагрузки – электрических нагревателей, электробытовых приборов, ламп накаливания и т.д. Следует отметить, что мощные перегрузки могут вывести из строя даже качественный асинхронный генератор, потому при подключении некоторых электрических потребителей, к примеру, электродвигателей или электрических инструментов, запас мощности у генератора должен быть трех- или четырехкратным.

Синхронные генераторы подходят для индуктивных потребителей электричества, обладающих высокими значениями токов при пуске. Такие устройства способны выдерживать кратковременные перегрузки без каких-либо отрицательных последствий.

Устройство трехфазного автомобильного генератора

Чтобы лучше разобраться в том, как работает и устроен генератор тока, можно подробно рассмотреть конструкцию автомобильного генератора. Такое устройство состоит из корпуса и двух крышек, оснащенных вентиляционными отверстиями. Ротор (электромагнит с одной обмоткой) генератора приводится в движение с помощью шкива и вращается в 2-х подшипниках. Ток на обмотку ротора поступает от двух медных колец и графитовых щеток, соединенных с электронным реле. Реле в генераторе необходимо для поддержания напряжения на допустимых значениях. В различных автомобильных генераторах реле бывают встроенными в корпус устройства и расположенными за пределами корпуса.

Статор включает в себя три медные обмотки, соединенные в треугольник между собой. К точкам соединения обмоток подключается выпрямительный мост, включающий в себя 6 полупроводниковых диодов, преобразующих электрический ток из переменного в постоянный.

podvi.ru

Принцип работы синхронного генератора переменного тока: видео — Asutpp

Основной принцип работы генератора переменного тока так же прост, как и таковой в генераторе постоянного тока. И в первом, и во втором случае, здесь действует закон Фарадея об электромагнитной индукции, согласно которому электрический ток индуцируется в проводнике магнитного поля вследствие относительного движения между этим проводником и магнитным полем. Для понимания принципа работы такого генератора следует представить некий прямоугольный виток, размещенный между двумя противоположными магнитными полюсами, как показано ниже.

Принцип работы генератора

Скажем, одновитковая петля ABCD может вращаться относительно оси a-b. Предположим, что эта петля начинает вращаться по часовой стрелке. После поворота на 90°, токопроводящая жила (токоотвод) AB петли находится в зоне S-полюса, а CD – N-полюса. В этом положении, тангенциальное движение проводника AB перпендикулярно линии магнитного потока от полюса N к S. Следовательно, скорость разъединения потока силовых линий проводника AB максимальна, и индуцированный ток сфокусирован в AB проводнике; а его направление можно теперь определить при помощи так называемого правила «правой руки» или «буравчика» Флемминга. Согласно данному правилу, электрический ток направлен от А к В. В то же самое время, проводник CD подпадает под воздействие полюса N; и в соответствии с вышеуказанным правилом, мы получим направление индуцированного тока от С до D.

Правило «буравчика» – Флемминга

Теперь, после вращения по часовой стрелке на 90°, виток ABCD приходит в вертикальное положение, как показано ниже. В этом положении, тангенциальное движение проводника AB и CD параллельно линии магнитного потока. Следовательно, будет иметь место разъединение потока силовых линий, то есть не будет тока в проводнике вообще. По ходу того, как виток ABCD переходит из горизонтального положения в вертикальное, угол между линиями потока (и направление движения проводника) уменьшается от 90° до 0°, и, таким образом, индуцированный ток в витке сводится к абсолютному нулю от его максимального значения.

Правило «правой руки» Флемминга

После очередного вращения по часовой стрелке на 90°, виток снова оказывается в горизонтальном положении; поэтому проводник AB попадает под влияние N-полюса, а CD – S-полюса. Но если мы снова применим правило «правой руки» Флемминга, то мы увидим, что наведенный (индуцированный) ток в проводнике AB идет от точки В к A, в то время как наведенный ток в проводнике CD – от D до C. Так как в данной позиции виток меняет горизонтальное положение на вертикальное, ток в проводниках доходит до своего максимального значения. Это означает, что ток циркулирует достаточно близко в витке от точки В к А, от А до D, от D до С и от С до А.

В общем, мы можем наблюдать реверс предыдущего горизонтального положения, когда ток циркулирует A → B → C → D → A. При дальнейшем переходе витка в вертикальное положение, ток снова уменьшается до показателя 0. Таким образом, если виток продолжает вращаться, то ток в витке продолжает чередовать свое направление. Во время каждого полного оборота витка, электрический ток в нем постепенно достигает своего максимального значения, а затем сводится к нулю; и наоборот, в противоположном направлении дело снова доходит до показателя 0 и так далее.

Как видите, переменный ток совершает одну полную синусоиду (колебание/волну) во время каждого оборота на 360° в витке, вращаясь внутри магнитного поля. Вот мы и разложили по полочкам фактический принцип работы генератора переменного тока.

Теперь разъединяем петлю и соединяем два ее конца с тяговыми контактными кольцами генератора и постоянными втулками на каждом контактном кольце. Если соединить два терминала внешней нагрузки с этими двумя втулками кондуктора, то мы получим переменный ток в нагрузке. Это и есть элементарная модель генератора.

Поняв простейший принцип работы генератора, теперь можно рассмотреть основной принцип его эксплуатации. Как мы уже знаем, магнитное поле является стационарным, а проводники (якорь электрической машины/ротор) вращаются. Но в целом и на практике, в структуре генератора проводники секций якоря являются стационарными, а полевые магниты вращаются между ними. Ротор генератора или синхронный генератор механически соединен с валом/осью или лопатками турбины, которые при вращении на синхронной скорости и вследствие силы способны привести к разъединению проводников секций якоря магнитного поля, расположенных на статоре. Как прямое следствие этого, ЭДС и ток начинают поступать через эти проводники, которые сначала идут в одном направлении в первой половине цикла, а затем в другом направлении во второй половине цикла, с определенным временным лагом 120° для каждой обмотки, как показано на рисунке ниже.

3 фазы генерируемого напряжения

Благодаря такому физическому явлению, существует возможность направлять поток энергии из генератора 3φ в распределительные электрические станции как для бытовых, так и для промышленных нужд.

www.asutpp.ru

Каталог товаров