Принцип работы трехфазного генератора
Трехфазными генераторами называются генераторы переменного тока, одновременно вырабатывающие несколько ЭДС одинаковой частоты, но с различными начальными фазами. Совокупность таких ЭДС называется трехфазной системой ЭДС. Многофазными цепями называются цепи переменного тока, в которых действуют многофазные системы ЭДС. Любая из цепей многофазной системы, где действует одна ЭДС, называется фазой.
Трехфазные системы имеют ряд преимуществ перед другими системами (однофазными и многофазными):
— они позволяют легко получить вращающееся магнитное поле (на этом основан принцип работы разных двигателей переменного тока).
— трехфазные системы наиболее экономичны, имеют высокий КПД.
— конструкция трехфазных двигателей, генераторов и трансформаторов наиболее проста, что обеспечивает их высокую надежность.
— один трехфазный генератор позволяет получать два различных (по величине) напряжения.
Современные электрические системы, состоящие из генераторов, электростанций, трансформаторов, линий передачи электроэнергии и распределительных сетей, представляют собой трехфазные системы переменного тока. Трехфазная система электрических цепей — совокупность электрических цепей, в которых действуют три синусоидальные ЭДС одной и той же частоты, сдвинутые друг относительно друга по фазе и создаваемые общим источником энергии. Каждая из цепей, входящих в трехфазную цепь, принято называть фазой. Трехфазная цепь включает в себя источник (генератор) трехфазной ЭДС, проводники, потребители (приемники) трехфазной электрической энергии.
Рассмотрим устройство трехфазного генератора переменного тока
В пазах статора расположены три фазных обмотки (они условно представлены единственными витками). Начала и концы обмоток трехфазного генератора принято обозначать буквами и . Первыми буквами латинского алфавита обозначают начала обмоток, последними — концы. Началом обмотки называют зажим, через который ток поступает во внешнюю цепь при положительных его значениях.
Ротор генератора выполняется в виде вращающегося постоянного магнита или электромагнита, питаемого через скользящие контакты постоянным током.
При вращении ротора с помощью двигателя в обмотках статора возникают периодически изменяющиеся ЭДС, частота которых одинакова, но фазы в любой момент времени различны, так как различны положения обмоток в магнитном поле. ЭДС в неподвижных витках обмоток статора индуктируются в результате пересечения этих витков магнитным полем вращающегося ротора. Обмотки фаз генератора совершенно одинаковы и расположены симметрично по поверхности статора, поэтому ЭДС имеют одинаковые амплитудные значения, но сдвинутые друг относительно друга по фазе на угол 120 .
Если ЭДС фазы принять за исходную и считать ее начальную фазу равной нулю, то при вращении ротора с угловой скоростью против часовой стрелки выражения для мгновенных значений ЭДС можно записать следующим образом:
Переходя к комплексам действующих значений, получим:
Подобные системы ЭДС принято называть симметричными. Векторная диаграмма трехфазной симметричной системы ЭДС представляет собой симметричную трехлучевую звезду. Из векторной диаграммы следует, что
Если ЭДС фазы отстает от фазы , а ЭДС фазы отстает от ЭДС фазы , то такую последовательность фаз называют прямой. Обратную последовательность фаз можно получить, если изменить направление вращения ротора.
Если отдельные фазные обмотки генератора не соединены между собой электрически, то такую цепь называют несвязанной. По сути дела несвязанная трехфазная цепь состоит из трех независимых однофазных цепей. В противном случае трехфазная цепь называется связанной. Наибольшее распространение получили связанные трехфазные цепи, как наиболее экономичные, имеющие минимальное число проводов. При нормальном режиме работы трехфазных установок последовательность фаз принимается прямая.
Принцип действия синхронного трёхфазного генератора
Универсальный синхронный трёхфазный генератор — специфический механизм переменного тока, который призван преобразовывать определённый тип энергии в электричество.
Именно этот агрегат отвечает за работоспособность солнечных батарей, электростатических машин, а также гальванических элементов.
Вмонтированный крутящийся электромагнит способен создавать магнитный поток, перемещающийся через три фазы обмотки используемого статора. В результате можно добиться того, что в пазах будет происходить переменная ЭДС однотипной частоты. Любой сдвиг фаз осуществляется под определённым углом, который равен одной трети вращения магнитных полей.
Сами производители отмечают тот факт, что генератор оборудован таким образом, чтобы якорь выступал в качестве мощного электромагнита. Если вал вращается от турбины, тогда в систему поступает электроэнергия, а обмотка ротора питается именно этим током. Во время такого взаимодействия якорь становится своеобразным электрическим магнитом, который крутится вместе с валом. Именно синхронные трёхфазные турбо- и гидрогенераторы производят больше всего полезной энергии.
Помимо этого, такие агрегаты успешно используются многими специалистами в качестве электромоторов для установок, где уровень мощности превышает отметку 50 кВт. Когда синхронный аппарат работает, то в графике двигателя источник постоянного тока соединяют с ротором, а вот статор подсоединяют к трёхфазному кабелю.
Разнообразие модельного ряда
Большим спросом сегодня пользуются следующие виды генераторов:
- Асинхронное устройство двойного типа. В таком генераторе подключена как роторная, так и статорная обмотки. График работы носит асинхронный характер.
- Турбо. Агрегат отличается неявнополюсным строением генератора, изготавливается из турбин разного вида. К основным положительным характеристикам можно отнести высокую скорость оборотов, которая варьируется в пределах 6 тыс. в минуту.
- Синхронный компенсатор. Такой агрегат является поставщиком реактивной мощности, благодаря чему активно используется для повышения качества электроэнергии.
- Гидро. Ротор имеет существенное отличие от всех аналогов, так как присутствуют специальные полюса. Используется для выработки электроэнергии, работает исключительно на малых оборотах.
- Прочная обмотка с переменной ЭДС.
- Мощный постоянный магнит или же обычный электромагнит, который производит требуемое рабочее поле.
- Снижение показателей напряжения наблюдается на активном и индуктивном сопротивлении обмоток устройства. Этот показатель может возрастать по мере того, как возрастает нагрузка самого агрегата.
- Холостой ход. ЭДС прибора во многом зависит от токов возбуждения, что одновременно свидетельствует о намагничивании специальных цепей машины.
- Регулировочные параметры трёхфазного генератора. Производители отмечают тот факт, что токи возбуждения зависят от нагрузки. В процессе активной эксплуатации синхронного генератора необходимо постоянно поддерживать оптимальное напряжение на зажимах. Соблюдать это требование достаточно просто, главное, регулировать ЭДС агрегата. Мастер может менять ток возбуждения в автоматическом режиме. При активно-емкостной нагрузке необходимо снижать ток возбуждения для непрерывного поддержания постоянного напряжения.
- Высококачественная обмотка устройства.
- Ротор либо индуктор (вращающегося или подвижного типа). В комплекте к этому элементу обязательно прилагается обмотка возбуждения.
- Несколько разновидностей мощных кабелей, способных выдержать большую нагрузку.
- Удобный переключатель статорной катушки.
- Специальный выпрямитель.
- Высококачественная роторная катушка.
- Специальный поставщик постоянного тока, работа которого может контролироваться самим пользователем.
- Работа аппарата на холостом ходу.
- Электроторможение устройства.
- Функционирование в определённой энергетической структуре с имеющимися нагрузками либо перезагрузками.
- Возбуждение синхронного генератора может быть немного форсировано в связи с такими критериями, как ток и напряжение, которые отвечают заданной кратности.
- Подключение к электросети с помощью точной самосинхронизации.
- Одна обмотка статора («обмотка возбуждения») запитывается от источника постоянного тока, функцию которого выполняет электронный регулятор напряжения. Регулятор используется в генераторах с самовозбуждением. Принцип самовозбуждения основан на том, что первоначальное возбуждение осуществляется с использованием остаточного магнетизма магнитопровода СГ. При этом энергия переменного тока поступает от обмотки статора СГ. Комплекс из понижающего трансформатора и полупроводникового выпрямителя-преобразователя трансформирует ее в энергию постоянного тока.
- Ток, протекающий в обмотке возбуждения статора, наводит ЭДС на обмотке возбуждения якоря генератора. Статор возбудителя, как конструкционный элемент может отсутствовать, и тогда его функции выполняют постоянные магниты.
- Обмотка ротора, в которой индуцируется ЭДС, называется обмоткой возбуждения якоря, или якорем возбудителя.
- Переменное напряжение, возникающее на обмотке якоря возбудителя, выпрямляется в блоке вращающихся диодов, которые так же называются словосочетанием «диодный мост», и превращает силовую обмотку ротора во вращающийся электромагнит, который наводит ЭДС в силовой обмотке статора СГ.
- Силовые обмотки и обмотки возбуждения монтируются в пазы якоря и ротора.
- Генераторы по типу выходного напряжения делятся на одно-, или трехфазные. Основное распространение в промышленности имеют трехфазные синхронные генераторы, а в быту — однофазные.
- Явнополюсные роторы предназначены для синхронных генераторов, работающих с двигателями внутреннего сгорания с низкой частотой вращения — 1500 и 3000 об/мин.
- Неявнополюсные роторы востребованы в высокоскоростных (более 3000 об/мин) механизмах переменного электрического тока высокой мощности. Обычно их размещают на одном валу с паровыми турбинами. Такие СГ называют «турбогенераторы».
- n — скорость вращения, об/мин;
- f — частота, в бытовой электрической сети она равна 50 Гц;
- p — количество пар полюсов.
- При пропускании через обмотку возбуждения постоянного тока образуется стабильное во времени магнитное поле с чередующейся полярностью.
- При вращении магнитного поля относительно проводников обмотки якоря возбуждаются переменные ЭДС.
- Переменные ЭДС суммируются, образуя ЭДС фаз. Трехфазная система образуется тремя одинаковыми обмотками, размещаемыми на якоре под электрическим углом друг к другу, равным 120°.
Устройство синхронного генератора
Качественный статор имеет аналогичный принцип действия с асинхронником.
Его корпус собирается из отдельных пластин электротехнической стали, все детали разделены специальными изолирующими слоями. Обмотка переменного тока располагается в специальных пазах. Вся проводка обмоток изолируется и фиксируется, что особенно важно для безопасной работы, ведь этот раздел отвечает за подключение нагрузки.
Для тихоходных машин с гидравлическими турбинами изготавливаются высококачественные генераторы выступающего типа. А вот для тех узлов, которые функционируют по принципу скоростного вращения с переменным током, больше всего подходят прочные неявно выраженные полюса. Чтобы агрегат служил как можно дольше, нужно использовать правильное охлаждение. Чаще всего на вал монтируются специальные крыльчатки, которые регулируют уровень температуры ротора с обеих сторон. Весь воздух обязательно подлежит предварительной фильтрации. Если система относится к замкнутому типу, то через теплообменники проходит один и тот же воздух.
Отдельно стоит учесть, что для быстрого и своевременного охлаждения системы желательно использовать водород, который в 14,5 раз легче, нежели воздух. А вот принцип его эксплуатации самый простой.
Составляющие части прибора:
Для того, чтобы получить наибольший магнитный поток, во всех агрегатах предусмотрено наличие специализированной структуры, которая включает в себя два стальных сердечника. Рабочие обмотки установлены в специальные пазы. Один вмонтированный сердечник — внутренний, он крутится вокруг вертикального или же горизонтального стержня, который принято называть ротором. А вот недвижимый сердечник именуется якорем (статором).
Функциональные отличия агрегата
Комплектующие элементы
Синхронный генератор может использоваться в качестве мотора и генератора. Его функциональные возможности позволяют быстро переходить от графика двигателя к графику работы генератораВ графике двигателя в систему входит электрическая энергия, а выходит механическая.
Устройство синхронного генератора включает в себя следующие элементы:
Трёхфазный генератор входит в состав цепи переменного тока нелинейных сопротивлений.
Принцип работы
Неправильно настроенное оборудование не сможет слаженно работать в течение длительного промежутка времени, преждевременные поломки могут возникнуть на фоне появления всевозможных перегрузок, из-за некачественного возбуждения сети, а также частых переходов в асинхронные режимы. Последний фактор чаще всего возникает по причине каких-либо отклонений в сети: нагрузки переменного типа, короткие замыкания, неравномерная загрузка фаз.
Стоит отметить, что стабильная работа генератора зависит и от качества подключённой сети, где любое нарушение функционирования отдельно взятых потребителей чревато несимметричностью и искажением сигнала. В такой ситуации может перегреваться как сама конструкция агрегата, так и его обмотка. Наличие мощных преобразователей и выпрямителей чревато искажением синусоида.
Чтобы устройство правильно функционировало, нужно обеспечить ему правильное охлаждение. Если затраты воды достигают отметки 75% от номинала, тогда срабатывает предупредительная сигнализация. Когда расход охладителя находится в пределах 50%, система разгружается за две минуты. Этот вид генератора работает по принципу электромагнитной индукции. Якорная катушка находится в разомкнутом положении только на холостом ходу, из-за чего необходимое магнитное поле формирует исключительно обмотка ротора. Когда этот элемент крутится от проводного мотора, то у него наблюдается постоянная частота.
Первоначальное магнитное поле формируется за счёт обмотки возбуждения, а в катушку якоря поступает электрическая движущая сила. Если же якорь начал двигаться только благодаря вращению с определённой скоростью, то весь поток возбуждения переходит через проводники статорных катушек. В итоге происходит индицирование переменных ЭДС.
Используемые структуры возбуждения
Все крупные производители изготавливают генераторы, моторы и синхронные компрессоры, которые оснащены инновационными полупроводниковыми структурами, такими как возбуждение трёхфазных агрегатов. В таких ситуациях используется беспроигрышный метод выпрямления переменных токов.
Параметры функционирования:
Сферы применения
Многофункциональные трёхфазные двигатели используются в различной технике. Такие агрегаты обладают необходимой простотой и надёжностью конструкции, доступной ценой. Генератор не нуждается в особом уходе, быстро приступает к работе и хорошо переносит длительные нагрузки. Качественное энергоснабжение осуществляется именно по трёхфазной системе переменного тока, так как любое использование двигателей с постоянным током требует установки дополнительных агрегатов.
Трёхфазные генераторы считаются незаменимыми в приводах сверлильных и токарных станков, пилорамах и циркуляционных пилах, лифтах, лебёдках и подъёмных кранах.
Он широко востребован и в сельскохозяйственной отрасли, где основную работу выполняют барабанные молотилки, веялки, зернопульты, погрузчики.
Синхронные установки используются как основной источник электроэнергии переменного тока на крупнейших станциях, на передвижных агрегатах и транспортных машинах (тепловозы, машины, самолёты). Генератор может функционировать как автономно, так и параллельно с сетью.
Конструкторы утверждают, что без такого оборудования не могут обойтись те станции, где отсутствует центральная подача электроэнергии. Особенно это касается крупных фермерских хозяйств, которые возведены вдали от населённых пунктов.
Устройство автомобильного генератора и его проверка
Требования, предъявляемые к генератору:
— выходные параметры генератора должны быть таковы, чтобы в любых режимах движения автомобиля не происходил прогрессивный разряд аккумуляторной батареи;
— напряжение в бортовой сети автомобиля, питаемой генератором, должно быть стабильно в широком диапазоне изменения частоты вращения и нагрузок.
Последнее требование вызвано тем, что аккумуляторная батарея весьма чувствительна к степени стабильности напряжения. Слишком низкое напряжение вызывает недозаряд батареи и, как следствие, затруднения с пуском двигателя. Слишком высокое напряжение приводит к перезаряду батареи и ускоренному выходу ее из строя.
Принцип работы генератора и его принципиальное конструктивное устройство одинаковы для всех автомобилей. Отличаются только качеством изготовления, габаритами и расположением присоединительных узлов.
Основные части генератора
1. Шкив – служит для передачи механической энергии от двигателя к валу генератора посредством ремня;
2. Корпус генератора состоит из двух крышек: передняя (со стороны шкива) и задняя (со стороны контактных колец), предназначены для крепления статора, установки генератора на двигателе и размещения подшипников (опор) ротора. На задней крышке размещаются выпрямитель, щеточный узел, регулятор напряжения (если он встроенный) и внешние выводы для подключения к системе электрооборудования;
3. Ротор — стальной вал с расположенными на нем двумя стальными втулками кпювообразной формы. Между ними находится обмотка возбуждения, выводы которой соединены с контактными кольцами. Генераторы оборудованы преимущественно цилиндрическими медными контактными кольцами;
4. Статор — пакет, набранный из стальных листов, имеющий форму трубы. В его пазах расположена трехфазная обмотка, в которой вырабатывается мощность генератора;
5. Сборка с выпрямительными диодами — объединяет шесть мощных диодов, запрессованных по три в положительный и отрицательный теплоотводы;
6. Регулятор напряжения — устройство, поддерживающее напряжение бортовой сети автомобиля в заданных пределах при изменении электрической нагрузки, частоты вращения ротора генератора и температуры окружающей среды;
7. Щеточный узел – съемная пластмассовая конструкция. В ней установлены подпружиненные щетки, контактирующие с кольцами ротора;8. Защитная крышка диодного модуля.
Схема соединения элементов генератора
Принципиальная электрическая схема генераторной установки:
1. Включатель зажигания;
2. Помехоподавляющий конденсатор;
3. Аккумуляторная батарея;
4. Лампа-индикатор исправности генератора;
5. Положительные диоды силового выпрямителя;
6. Отрицательные диоды силового выпрямителя;
7. Диоды обмотки возбуждения;
8. Обмотки трех фаз статора;
9. Обмотка возбуждения(ротор);
10. Щеточный узел;
11. Регулятор напряжения;
B+ Выход генератора «+»;
B- «Масса» генератора;
D+ Питание обмотки возбуждения, опорное напряжение для регулятора напряжения.
В основе работы генератора лежит эффект электромагнитной индукции. Если катушку из медного провода, пронизывает магнитный поток, то при его изменении на выводах катушки появляется электрическое напряжение, пропорциональное скорости изменения магнитного потока. И наоборот, для образования магнитного потока достаточно пропустить через катушку электрический ток. Таким образом, для получения переменного электрического тока требуются источник переменного магнитного поля и катушка, с которой непосредственно будет сниматься переменное напряжение.
Обмотка возбуждения с полюсной системой, валом и контактными кольцами образуют ротор, его важнейшую вращающуюся часть, которая и является источником переменного магнитного поля.
Ротор генератора
2. полюса ротора;
3. обмотка возбуждения;
4. контактные кольца.
Полюсная система ротора имеет остаточный магнитный поток, который присутствует даже при отсутствии тока в обмотке возбуждения.
Для первоначального намагничивания ротора через его обмотку пропускают небольшой ток от аккумуляторной батареи, обычно через лампу контроля работоспособности генератора. Сила этого тока не должна быть слишком большой, чтобы не разряжать аккумуляторную батарею, но и не слишком малой, чтобы генератор мог возбудиться уже на холостых оборотах двигателя. Исходя из этих соображений, мощность контрольной лампы обычно составляет 2…3 Вт. После того, как напряжение на обмотках статора достигает рабочей величины, лампа тухнет, и питание обмотки возбуждения осуществляется от самого генератора. В этом случае генератор работает на самовозбуждении.
Выходное напряжение снимается с обмоток статора. При вращении ротора напротив катушек обмотки статора появляются попеременно «северный» и «южный» полюсы ротора, т. е. направление магнитного потока, пронизывающего катушку статора, меняется, что и вызывает появление в ней переменного напряжения. Частота этого напряжения зависит от частоты вращения ротора генератора и числа его пар полюсов.
Статор генератора
1. обмотка статора;
2. выводы обмоток;
Обмотка статора трехфазная. Она состоит из трех отдельных обмоток, называемых обмотками фаз или просто фазами, намотанных по определенной технологии на магнитопровод. Напряжение и токи в обмотках смещены друг относительно друга на треть периода, т.е. на 120 электрических градусов, как это показано на рисунке.
Осциллограммы фазовых напряжений обмоток:
U1, U2, U3 – напряжения обмоток;
Т – период сигнала (360 градусов);
F – фаза смещения (120 градусов).
Фазовые обмотки могут соединяться в «звезду» или «треугольник».
Виды соединения обмоток
При соединении в «треугольник» ток в каждой из обмоток в 1,7 раза меньше тока, отдаваемого генератором. Поэтому в генераторах большой мощности применяют соединение в «треугольник», т. к. при меньших токах обмотки можно наматывать более тонким проводом, что технологичнее. Более тонкий провод можно применять и при соединении типа «звезда». В этом случае обмотку выполняют из двух параллельных обмоток, каждая из которых соединена в «звезду», т.е. получается «двойная звезда».
Для того, чтобы магнитный поток обмотки возбуждения подводился непосредственно к обмотке статора и не рассеивался в пространстве, катушки помещены в пазы стальной конструкции — магнитопровода. Так как переменное магнитное поле наводится не только в катушках, но и в магнитопроводе статора, то это приводит к возникновению паразитных вихревых токов, которые ведут к потере мощности и нагревают статор. Для уменьшения проявления этого эффекта магнитопровод изготавливают из набора стальных пластин (пакета железа).
Бортовая сеть автомобиля требует подведения к ней постоянного напряжения. Поэтому обмотка статора питает бортовую сеть автомобиля через выпрямитель, встроенный в генератор.
Выпрямитель для трехфазной системы содержит шесть силовых полупроводниковых диодов, три из которых соединены с выводом «+» генератора, а другие три с выводом «—» («массой»). Полупроводниковые диоды находятся в открытом состоянии и не оказывают существенного сопротивления прохождению тока при приложении к ним напряжения в прямом направлении и практически не пропускают ток при обратном напряжении. Следует обратить внимание на то, что под термином «выпрямительный диод» не всегда скрывается привычная конструкция, имеющая корпус, выводы и т. д. Иногда это просто полупроводниковый кремниевый переход, загерметизированный на теплоотводе.
Сборка с выпрямительными диодами:
1. силовые диоды;
2. дополнительные диоды;
Многие производителизаменяют диоды силового моста стабилитронами в целях защиты электронных узлов автомобиля от всплесков напряжения.
Отличие стабилитрона от выпрямительного диода состоит в том, что при воздействии на него напряжения в обратном направлении он не пропускает ток лишь до определенной величины этого напряжения, называемого напряжением стабилизации. Обычно в силовых стабилитронах напряжение стабилизации составляет 25-30 В. При достижении этого напряжения стабилитроны «пробиваются «, т. е. начинают пропускать ток в обратном направлении, причем в определенных пределах изменения силы этого тока напряжение на стабилитроне, а, следовательно, и на выводе «+» генератора остается неизменным, не достигающем опасных для электронных узлов значений. Свойство стабилитрона поддерживать на своих выводах постоянство напряжения после «пробоя» используется и в регуляторах напряжения.
Напряжения на обмотках изменяются по кривым, близким к синусоиде. В одни моменты времени они положительны, в другие отрицательны. Если положительное направление напряжения в фазе принять по стрелке, направленной к нулевой точке обмотки статора, а отрицательное от нее, то для момента времени t, когда напряжение второй фазы отсутствует, первой фазы — положительно, а третьей — отрицательно, направление напряжений фаз соответствует стрелкам, показанным на рисунке.
Направление токов в обмотках и выпрямителе генератора
Рассмотрев любые другие моменты времени, легко убедиться, что в трехфазной системе напряжения, возникающего в обмотках фаз генератора, диоды силового выпрямителя переходят из открытого состояния в закрытое и обратно таким образом, что ток в нагрузке имеет только одно направление — от вывода «+» генераторной установки к ее выводу «—» («массе»), т. е. в нагрузке протекает постоянный (выпрямленный) ток.
У значительного количества типов генераторов обмотка возбуждения подключается к собственному выпрямителю, собранному на трех диодах. Такое подключение обмотки возбуждения препятствует протеканию через нее тока разряда аккумуляторной батареи при неработающем двигателе автомобиля.
Диоды выпрямителя обмотки возбуждения работают аналогично, питая выпрямленным током эту обмотку. Причем в выпрямитель обмотки возбуждения тоже входят 6 диодов, три из них общие с силовым выпрямителем (отрицательные диоды). Ток возбуждения значительно меньше, чем ток, отдаваемый генератором в нагрузку. Поэтому в качестве диодов обмотки возбуждения применяются малогабаритные слаботочные диоды на ток не более 2 А (для сравнения, диоды силового выпрямителя допускают протекание токов силой до 25-35 А).
При необходимости увеличения мощности генератора применяется дополнительное плечо выпрямителя.
Схема генераторной установки с дополнительными диодами
Такая схема выпрямителя может иметь место только при соединении обмоток статора в «звезду», т. к. дополнительное плечо запитывается от «нулевой» точки «звезды».
Если бы фазные напряжения изменялись чисто по синусоиде, эти диоды вообще не участвовали бы в процессе преобразования переменного тока в постоянный. Однако в реальных генераторах форма фазных напряжений отличается от синусоиды. Она представляет собой сумму синусоид, которые называются гармоническими составляющими или гармониками — первой, частота которой совпадает с частотой фазного напряжения, и высшими, главным образом, третьей, частота которой в три раза выше, чем первой.
Из электротехники известно, что в линейном напряжении, т. е. в том напряжении, которое подводится к выпрямителю и выпрямляется, третья гармоника отсутствует. Это объясняется тем, что третьи гармоники всех фазных напряжений совпадают по фазе, т. е. одновременно достигают одинаковых значений и при этом взаимно уравновешивают и взаимоуничтожают друг друга в линейном напряжении.
Таким образом, третья гармоника в фазном напряжении присутствует, а в линейном — нет. Следовательно, мощность, развиваемая третьей гармоникой фазного напряжения не может быть использована потребителями. Чтобы использовать эту мощность, добавлены диоды, подсоединенные к нулевой точке обмоток фаз, т. е. к точке где сказывается действие фазного напряжения. Таким образом, эти диоды выпрямляют только напряжение третьей гармоники фазного напряжения. Применение этих диодов увеличивает мощность генератора на 5-15% при частоте вращения более 3000 мин-1.
Напряжение генератора без регулятора сильно зависит от частоты вращения его ротора, магнитного потока, создаваемого обмоткой возбуждения, а, следовательно, от силы тока в этой обмотке и величины тока, отдаваемого генератором потребителям. Чем больше частота вращения и сила тока возбуждения, тем больше напряжение генератора, чем больше сила тока его нагрузки — тем меньше это напряжение. Функцией регулятора напряжения является стабилизация напряжения при изменении частоты вращения и нагрузки за счет воздействия на ток возбуждения. Ранее применялись вибрационные регуляторы, а затем контактно-транзисторные. Эти два типа регуляторов в настоящее время полностью вытеснены электронными.
Недостатком приведенного варианта подключения регулятора является то, что регулятор поддерживает напряжение на выводе «D+» генератора, а потребители, в том числе, аккумуляторная батарея, включены на вывод «В+». Кроме того, при таком включении регулятор не воспринимает падения напряжения в соединительных проводах между генератором и аккумуляторной батареей и не вносит корректировок в напряжение генератора, чтобы компенсировать это падение. Эти недостатки устранены в следующей схеме, где напряжение на входную цепь регулятора подается от того узла, где его следует стабилизировать, обычно, это вывод «В+» генератора.
Усовершенствованная схема стабилизации напряжения
Некоторые регуляторы напряжения обладают свойством термокомпенсации — изменения напряжения, подводимого к аккумуляторной батарее, в зависимости от температуры воздуха в подкапотном пространстве для оптимального заряда АКБ. Чем ниже температура воздуха, тем большее напряжение должно подводиться к батарее и наоборот. Величина термокомпенсации достигает до 0,01 В на 1°С.
Как проверить автомобильный генератор своими руками
Генератор для двигателя вроде мини-электростанции, которая снабжает всю бортовую сеть автомобиля, включая аккумулятор (АКБ). Неисправность генератора приведет к неминуемой полной разрядке АКБ, после чего двигатель вашего автомобиле просто перестанет работать, равно как и вся бортовая сеть.
Для того чтобы произвести диагностику генератора нужно обладать определенными навыками и инструментом.
Меры предосторожности и правила безопасности
Запрещено:
Проверять работоспособность генератора путем проверки его «на искру», то есть методом короткого замыкания. Соединять клемму «30» (иногда обозначается как «В+») с клеммой 67 («D+») или «массой».
Допускать работу генератора при выключенных потребителях, например при отключении его от аккумуляторной батареи.
Проверять вентили генератора напряжением выше 12 В.
Можно и нужно:
Проверять исправность генератора при помощи вольтметра или амперметра.
Во время сварочных работ на кузове автомобиля необходимо отключать провода от генератора и АКБ.
Во время замены проводки в системе генератора провода должны иметь такое же сечение и длину как и «родные» провода.
Перед тем как проверить генератор убедитесь в правильном натяжении ремня генератора, а также исправности всех соединений и клемм. Нормальной считается натяжка ремня, при которой нажимая большим пальцем на середину ремня, он прогнется не больше чем на 10-15 мм.
Проверка генератора автомобиля своими руками
Чтобы проверить регулятор напряжения вам потребуется вольтметр со шкалой от 0 до 15 В.
Дайте мотору поработать на средних оборотах при включенных фарах примерно 15 минут.
Проверьте напряжение между «массой» генератора и выводами «30» («В+»), на вольтметре у вас должно быть нормальное для вашего автомобиля напряжение (для владельцев «девятки» например, нормальным считается напряжение — 13,5 – 14,6 В). Если напряжение выше или ниже установленного производителем — скорее всего придется заменить регулятор.
Не лишним будет также проверить регулируемое напряжение, для этого подключите вольтметр непосредственно к клеммам АКБ. Мотор должен работать на высоких оборотах, которые приближены к максимальным. Фары и другие потребители электроэнергии автомобиля должны быть включенными. Размер напряжения должен совпадать с параметрами вашего автомобиля.
Диодный мост
Проверка диодного моста относится к комплексу проверок генератора. Для того чтобы проверить диодный мост подключите вольтметр или мультиметр к зажиму «30» («В+») генератора, а также к «массе», и включите прибор в режим измерения переменного тока. Переменный ток на диодном мосту не должен превышать 0,5 В, если у вас вышло больше — скорее всего диоды неисправны.
Пробои на «массу»
Проверка пробивания на «массу» не будет лишней в случае если «гена компостирует мозги». Для этого необходимо отключить аккумуляторную батарею и провод генератора, который идет к клемме «30» («В+»). После этого подключите прибор между клеммой «30» («В+») и отключенным проводом генератора. Смотрим на показания — если на приборе ток разряда превышает 0,5 мА, скорее всего есть пробой диодов или изоляции обмоток генератора.
Сила тока отдачи
Сила тока отдачи генератора проверяется при помощи специального зонда, которым провод охватывают, измеряя тем самым силу тока, идущего по проводу.
Для проверки тока отдачи нужно зондом обхватить провод, который идет к зажиму «30» («В+»).
Заведите двигатель – во время проведения измерения он должен работать на высоких оборотах.
Включайте по очереди электропотребители и считывайте показания прибора отдельно для каждого потребителя.
В конце измерений вам необходимо подсчитать сумму показаний.
Далее, включите все потребители (которые вы включали поочередно) одновременно и произведите замер показаний мультиметра. Величина не должна быть меньше суммы показаний отдельно измеренных показателей, допустимое расхождение — 5 А.
Проверка тока возбуждения генератора выполняется посредством запуска двигателя и последующей его работы на высоких оборотах. После чего измерительный зонд помещается вокруг провода, ведущего к клемме 67 («D+»). Исправный генератор должен показать величину тока возбуждения — равную 3-7 А.
Проверка обмотки
Чтобы проверить обмотки возбуждения, потребуется снятие регулятора напряжения, а также щеткодержателя. При необходимости произведите зачистку контактных колец и проверьте обмотку на предмет отсутствия обрывов и замыканий на «массу».
Проверять необходимо омметром, его щупы прикладываются к контактным кольцам, после чего снимаются показания. Сопротивление должно быть в пределах от 5 до 10 Ом.
После подключите один электрод прибора к любому из контактных колец, а другой к статору генератора. На дисплее должна показываться бесконечно высокое сопротивление, в противном случае — обмотка возбуждения где-то замыкает на «массу».
Рекомендации по замене
Практика эксплуатации показывает, что поменять автомобильный генератор несложно, но для решения задачи требуется соблюдать ряд правил:
СОЕДИНЕНИЯ ОБМОТОК ГЕНЕРАТОРА
Ранее рассмотрены свойства однофазного переменного тока. Однако однофазная система неэкономична вследствие несовершенства однофазных электрических машин.
Так, например, при одинаковых габаритах, массе активных материалов (стали и меди) и потерях энергии мощность однофазной машины в 1,5 раза меньше мощности трехфазной машины. Поэтому для электрификации используется трехфазная система переменного тока.
Трехфазной системой переменного тока или просто трехфазной системой называется цепь или сеть переменного тока, в которой действуют три ЭДС одинаковой частоты, но взаимно смещенные по фазе на одну треть периода. То есть в простейшем трехфазном генераторе на якоре содержится не одна, а три одинаковые обмотки, сдвинутые в пространстве друг относительно друга на угол 120º. Такая система трех ЭДС называется симметричной.
Отдельные цепи, составляющие трехфазную систему, называются фазами.
Рисунок 1. Кривые изменения ЭДС в трехфазной обмотке генератора
При нагрузке генератора на зажимах катушек устанавливаются напряжения, называемыефазными.
Если нагрузка отсутствует (холостой ход), фазные напряжения равны ЭДС, индуктируемым в катушках статора.
Обмотки генератора соединяют между собой в звезду или в треугольник.
При соединении обмоток генератора звездой (рисунок б) концы всех трех фаз соединяют в общую точку О, а к началам подсоединяют провода, отводящие энергию в сеть.
Рисунок 2. Соединение обмоток генератора в звезду
Эти три провода называются линейными, а напряжение между любыми двумя линейными проводами — линейным напряжением Uл.
От общей точки соединения концов (или начал) трех фаз (от нулевой точки звезды) может быть отведен четвертый провод, называемыйнулевым.
Напряжение между любым из трех линейных проводов и нулевым проводом равно напряжению между началом и концом одной фазы, фазному напряжению Uф.
Обычно все фазы обмотки генератора выполняются одинаковыми, так что действующие значения ЭДС в фазах равны.
По векторной диаграмме легко установить соотношение между линейным и фазным напряжениями.
 или  ;  |
т. е. при соединении обмоток симметричного генератора звездой линейное напряжение в 3 = 1,73 раза больше фазного.
На основании первого закона Кирхгофа ток в нулевом проводе равен геометрической сумме токов в фазах генератора:
 |
При соединении обмоток генератора треугольником (рисунок а) начало каждой фазы соединяется с концом другой фазы. Таким образом, три фазы генератора образуют замкнутый контур.
Устройство и принцип работы синхронного генератора
Синхронным генератором (СГ) называют устройство, выполняющее функцию трансформации механической энергии в электрическую. Принцип работы и устройство синхронного генератора достаточно просты и надежны. Такое энергетическое оборудование востребовано для использования в мобильных авторемонтных мастерских, для ремонта и обслуживания станков-качалок, спецмашин нефтегазовой отрасли, на ГЭС, ТЭС, АЭС, в транспортных системах.
Основные конструктивные элементы
В конструкцию статора входит корпус, внутри которого расположен сердечник, или пакет, собираемый из листов электротехнической стали особой формы. На качество электрического тока влияют такие факторы как: цельность листов в пакете (бывают цельными или составными), качество и материал обмотки. Для обмотки применяется медный эмаль-провод, а в дешевых устройствах возможна замена меди на алюминий.
Роторы изготавливаются явнополюсными или неявнополюсными.
Определение скорости вращения
Понятие «синхронный» означает, что число оборотов находится в прямой математической зависимости от частоты тока. Эта зависимость определяется по формуле n = 60*f/p, где:
Принцип работы СГ
Принцип действия машины в режиме синхронного генератора:
В случаях, если централизованное электроснабжение имеет недостаточную мощность или отсутствует, как, например, на удаленных стройплощадках, нефтегазодобывающих объектах, морских и воздушных судах, СГ в составе с двигателем внутреннего сгорания функционируют в автономном режиме. При необходимости создания мощных источников питания синхронные двигатели включают на параллельную работу. Такой способ включения позволяет более полно использовать мощность каждой машины и при необходимости выводить отдельные СГ в ремонт без прекращения эффективного электроснабжения потребителей.
Второй режим работы синхронной машины — выполнение функций электродвигателя. Обычно СГ востребован в качестве двигателя в высокомощных установках более 50 кВт. Для работы в режиме электродвигателя обмотку статора подключают к электросети, а обмотку ротора — к источнику постоянного тока. Вращающий момент возникает при взаимодействии вращающегося магнитного поля СГ с постоянным током обмотки возбуждения.