Какая часть генератора неподвижна

Статор генератора: рождающий ток

Статор генератора: рождающий ток

Каждое современное транспортное средство оснащается электрическим генератором, который вырабатывает ток для работы бортовой электросистемы и всех ее приборов. Одна из основных частей генератора — неподвижный статор. О том, что такое статор генератора, как он устроен и работает — читайте в этой статье.

Назначение статора генератора

В современных автомобилях и других транспортных средствах применяются синхронные трехфазные генераторы переменного тока с самовозбуждением. Типичный генератор состоит из неподвижного статора, закрепленного в корпусе, ротора с обмоткой возбуждения, щеточного узла (подводящего ток к обмотке возбуждения) и выпрямительного блока. Все детали собраны в относительно компактную конструкцию, которая монтируется на двигателе и имеет ременной привод от коленчатого вала.

Статор — неподвижная часть автомобильного генератора, несущая на себе рабочую обмотку. В процессе работы генератора именно в обмотках статора возникает электрический ток, который преобразуется (выпрямляется) и подается в бортовую сеть.

Статор генератора имеет несколько функций:

• Несет на себе рабочую обмотку, в которой генерируется электрический ток;
• Выполняет функцию корпусной детали для размещения рабочей обмотки;
• Играет роль магнитопровода для повышения индуктивности рабочей обмотки и правильного распределения силовых линий магнитного поля;
• Выступает в роли теплоотвода — отводит чрезмерное тепло от нагревающихся обмоток.

Все статоры имеют принципиально одинаковую конструкцию и не отличаются разнообразием типов.

Конструкция статора генератора

Конструктивно статор состоит из трех основных частей:

• Кольцевой сердечник;
• Рабочая обмотка (обмотки);
• Изоляция обмоток.

Сердечник собирается из железных кольцевых пластин с пазами с внутренней стороны. Из пластин формируется пакет, жесткость и монолитность конструкции придается сваркой или клепкой. В сердечнике выполняются пазы для укладки обмоток, а каждый выступ — это ярмо (сердечник) для витков обмотки. Сердечник собирается из пластин толщиной 0,8-1 мм, изготовленных из специальных марок железа или ферросплавов с определенной магнитной проницаемостью. На внешней стороне статора могут присутствовать ребра для улучшения отвода тепла, а также выполняться различные пазы или углубления для стыковки с корпусом генератора.

В трехфазных генераторах используется три обмотки — по одной на фазу. Каждая обмотка изготавливается из медного изолированного провода большого сечения (диаметром от 0,9 до 2 мм и более), которая в определенном порядке укладывается в пазах сердечника. Обмотки имеют выводы, с которых снимается переменный ток, обычно число выводов составляет три или четыре, но бывают статоры с шестью выводами (каждая из трех обмоток имеет свои выводы для выполнения соединений того или иного типа).

В пазах сердечника располагается изоляционный материал, защищающий изоляцию провода от повреждения. Также в некоторых типах статоров в пазы могут вкладываться изоляционные клинья, которые дополнительно выполняют роль фиксатора витков обмоток. Статор в сборе дополнительно может подвергаться пропитке эпоксидными смолами или лаками, что обеспечивает целостность конструкции (предотвращает сдвиг витков) и улучшает ее электроизоляционные свойства.

Статор жестко монтируется в корпусе генератора, причем сегодня чаще всего используется конструкция, в которой сердечник статора выполняет роль корпусной детали. Реализуется это просто: статор зажимается между двумя крышками корпуса генератора, которые стягиваются шпильками — такой «сэндвич» позволяет создавать компактные конструкции с эффективным охлаждением и простотой обслуживания. Популярностью пользуется и конструкция, при которой статор объединен с передней крышкой генератора, а задняя крышка выполнена съемной и обеспечивает доступ к ротору, статору и другим деталям.

Типы и характеристики статоров

Статоры генераторов отличаются числом и формой пазов, схемой укладки обмоток в пазах, схемой подключения обмоток и электрическими характеристиками.

По числу пазов под витки обмоток статоры бывают двух типов:

• С 18 пазами;
• С 36 пазами.

Сегодня наиболее часто используется конструкция с 36 пазами, так как она обеспечивает лучшие электрические характеристики. Генераторы со статорами с 18 пазами сегодня можно встретить на некоторых отечественных автомобилях ранних выпусков.

По форме пазов статоры бывают трех типов:

• С открытыми пазами — пазы прямоугольного сечения, в них требуется дополнительная фиксация витков обмоток;
• С полузакрытыми (клиновидными) пазами — пазы суживаются кверху, поэтому витки обмоток фиксируются вставкой изоляционных клиньев или кембриков (трубок из ПВХ);
• С полузакрытыми пазами для обмоток с одновитковыми катушками — пазы имеют сложное сечение под укладку одного или двух витков провода большого диаметра или провода в виде широкой ленты.

По схеме укладки обмоток статоры бывают трех типов:

• С петлевой (петлевой распределенной) схемой — провод каждой обмотки укладывается в пазы сердечника петлями (обычно один виток укладывается с шагом в два паза, в эти пазы укладываются витки второй и третьей обмоток — так обмотки приобретают сдвиг, необходимый для генерации трехфазного переменного тока);
• С волновой сосредоточенной схемой — провод каждой обмотки укладываются в пазы волнами, обходя их то с одной, то с другой стороны, причем в каждом пазу лежит по два витка одной обмотки, направленных в одну сторону;
• С волновой распределенной схемой — провод также укладывается волнами, однако витки одной обмотки в пазах направлены в разные стороны.

При любом типе укладки каждая обмотка имеет шесть витков, распределенных по сердечнику.

Независимо от способа укладки провода, существует две схемы соединения обмоток:

• «Звезда» — в этом случае обмотки соединены параллельно (концы всех трех обмоток соединены в одной (нулевой) точке, а их начальные выводы свободны);
• «Треугольник» — в этом случае обмотки соединены последовательно (начало одной обмотки с концом другой).

При соединении обмоток «звездой» наблюдается более высокий ток, данная схема применяется на генераторах мощностью не более 1000 Вт, которые эффективно работаю на малых оборотах. При соединении обмоток «треугольником» ток снижается (в 1,7 раз относительно «звезды»), однако генераторы с такой схемой подключения лучше работают на высоких мощностях, а для их обмоток можно использовать проводник меньшего сечения.

Часто вместо «треугольника» используется схема «двойная звезда», в этом случае статор должен иметь уже не три, а шесть обмоток — по три обмотки соединяются «звездой», и две «звезды» подключаются к нагрузке параллельно.

Что касается характеристик, то для статоров наибольшее значение имеет номинальное напряжение, мощность и номинальный ток в обмотках. По номинальному напряжению статоры (и генераторы) делятся на две группы:

• С напряжением в обмотках 14 В — для транспортных средств с напряжением бортовой сети 12 В;
• С напряжением в обмотках 28 В — для техники с напряжением бортовой сети 24 В.

Генератор вырабатывает более высокое напряжение, так как в выпрямителе и стабилизаторе неизбежно происходит падение напряжения, а на входе в бортовую электросеть наблюдается уже нормальное напряжение в 12 или 24 В.

Большинство генераторов для автомобилей, тракторов, автобусов и прочей техники имеет номинальный ток от 20 до 60 А, для легковых автомобилей достаточно 30-35 А, для грузовиков — 50-60 А, для тяжелой техники выпускаются генераторы с током до 150 и более А. При этом мощность генераторов колеблется от 400 до 2500 Вт.

Принцип работы статора генератора

Работа статора и всего генератора основана на явлении электромагнитной индукции — возникновении тока в проводнике, который движется в магнитном поле или покоится в переменном магнитном поле. В автомобильных генераторах используется второй принцип — проводник, в котором возникает ток, покоится, а магнитное поле постоянно изменяется (вращается).

При запуске двигателя ротор генератора начинает вращаться, одновременно на его возбуждающую обмотку подается напряжение от аккумуляторной батареи. Ротор имеет многополюсный стальной сердечник, который при подаче тока на обмотку становится электромагнитом, соответственно, вращающийся ротор создает переменное магнитное поле. Силовые линии этого поля пересекают статор, расположенный вокруг ротора. Сердечник статора определенным образом распределяет магнитное поле, его силовые линии пересекают витки рабочих обмоток — в них за счет электромагнитной индукции генерируется ток, который снимается с выводов обмотки, поступает на выпрямитель, стабилизатор и в бортовую сеть.

При увеличении оборотов двигателя часть тока от рабочей обмотки статора подается на обмотку возбуждения ротора — так генератор переходит в режим самовозбуждения и уже не нуждается в стороннем источнике тока.

В процессе работы статор генератора испытывает нагрев и электрические нагрузки, также он подвергается негативным воздействиям окружающей среды. Это с течением времени может привести к ухудшению изоляции между обмотками и электрическому пробою. В данном случае статор нуждается в ремонте или полной замене. При регулярном техническом обслуживании и своевременной замене статора генератор будет служить надежно, стабильно обеспечивая автомобиль электрической энергией.

Другие статьи

В любом поршневом двигателе внутреннего сгорания присутствует деталь, соединяющая поршень с верхней головкой шатуна — поршневой палец. Все о поршневых пальцах, их конструктивных особенностях и способах установки, а также о верном подборе и замене пальцев различных типов подробно рассказано в статье.

На прицепах и полуприцепах иностранного производство широко применяются компоненты ходовой части от немецкого концерна BPW. Для монтажа колес на ходовой используется специализированный крепеж — шпильки BPW. Все об этом крепеже, его существующих типах, параметрах и применяемости читайте в материале.

Для монтажа автомобильных стекол в кузовные элементы используются специальные детали, обеспечивающие уплотнение, фиксацию и демпфирование — уплотнители. Все об уплотнителях стекол, их типах, конструктивных особенностях и характеристиках, а также о подборе и замене этих элементов — читайте в статье.

В практике авторемонта и при выполнении слесарно-монтажных работ возникает необходимость работы с резьбовым крепежом, имеющим неудобное положение или наклон. В этих ситуациях на помощь приходят карданные переходники для ключей — об этих приспособлениях, их конструкции и применении читайте в статье.

Принцип работы генератора переменного тока

Переменный ток — основа электрического питания потребителей. Именно этот ток доставляется потребителю по разветвленной системе воздушных и кабельных линий, в промежутках занижаемый трансформаторами.

Переменный ток образуется за счет работы мощных генераторов на электростанциях. Статья подробно раскроет тему, что такое генератор переменного тока, опишет разновидности этих устройств, на каком принципе основана его работа и сферы применения.

Начало

Простейший и самый первый генератор переменного тока был разработан физиком Майклом Фарадеем в 1831 году и получил название «Диск Фарадея». Конструкция первого генератора переменного тока была очень простой. Она включала такие элементы:

1. Два разно полярных магнита «N» и «S».
2. Рамку из медной проволоки со сторонами A, B, C, D.
3. Оси вращения N и N1.

Принцип действия генератора переменного тока Фарадея заключался в том, что при вращении рамки, вырабатывался ток со слабым напряжением. Происходит это следующим образом:

1. Рамка из проволоки осуществляет вращение внутри постоянного магнитного поля по оси N и N 1.
2. При изменении положения рамки из вертикального в горизонтальное, возникает эффект разреза магнитного поля.
3. В такие моменты возникает электродвижущая сила (ЭДС).
4. При прохождении одного полуоборота ЭДС имеет положительный потенциал. Ток протекает от точки А к точке B.
5. При возврате в вертикальное положение ЭДС меняет направление из точки C в точку D, а значит меняется и потенциал тока.

Все генераторы переменного тока используют вращающееся магнитное поле. При изменении положения медной рамки существует также момент полной потери напряжения. Он возникает при медленном вращении, например, без двигателя. При быстром вращении, величина напряжения остается неизменной.

Назначение и устройство

Современные генераторы переменного тока работают по тому же принципу, но в качестве движущей силы используют различные механизмы. Основное назначение генератора переменного тока — это преобразование какого-либо типа энергии в электрический ток. В качестве источника энергии может быть:

1. Мощный поток воды. Такие устройства используются на ГЭС. Генератор приводится в действие за счет протекания воды по узкому каналу и вращения турбины. Вращающиеся лопасти турбины раскручивают вал генератора, тем самым преобразуя механическую энергию в электричество.
2. Сжигание газа. Характерно для ТЭС.
3. Использование силы ветра. Такие генераторы устанавливают в наиболее ветряных районах. Главный недостаток в полном отключении в безветренную погоду.
4. Использование атомной энергии.
5. Применение дизельных или бензиновых двигателей для вращения стационарных или автомобильных генераторов.

Генератор или альтернатор переменного тока состоит из следующих частей:

1. Статор. Является неподвижной частью устройства. Изготавливается из стальных листов, которые обеспечивают устойчивость к нагрузкам. В статоре прорезаны длинные пазы, в которых содержится проволочная обмотка. Данная обмотка отводит сгенерированный ток.
2. Ротор. Является подвижной частью. Устанавливается непосредственно по центру статора. Для точной центровки устанавливается на подшипники, которые вмонтированы в переднюю и заднюю крышки корпуса. Сам ротор является электромагнитом. На нем также есть пазы и уложенная в них обмотка. Она необходима для возбуждения статора и генерации электромагнитного поля.
3. Якорь. На нем смонтирован ротор с обмоткой. Он нужен для передачи крутящего момента от двигателя или турбины.
4. Коллектор. Коллектор состоит из нескольких изолированных пластин, который представляют собой 2 основных полукольца. Каждое соединяется с обмоткой ротора. Одна половина с полюсом «+», другая с минусовым полюсом. Коллектор электрогенератора необходим для выпрямления и перенаправления переменного тока.
5. Угольные щетки. На некоторых моделях их заменяют контактными пластинами. Через угольные щетки осуществляется подача постоянного тока от аккумулятора, который используется для предварительного возбуждения обмотки ротора.

Это самые основные части, из которых состоит простейший альтернатор. Мы рассмотрели устройство и принцип действия современного генератора переменного тока.

Генераторы такого типа могут быть синхронными и асинхронными. Оба устройства практически идентичны. Разница между ними заключается в следующем. Синхронные и асинхронные модели отличаются наличием обмотки на роторе (синхронный) или ее отсутствием (асинхронный). Также различия заключаются в принципе возбуждения, схемы подключения.

Разновидности

Внутреннее устройство генератора переменного тока зависит от его типа. Электромашины делятся на 2 основных типа:

1. Синхронные.
2. Асинхронные.

Также существует классификация по:

1. Способу возбуждения.
2. Количеству фаз.
3. По типу ротора и статора.

Далее будет дано подробное описание всех классификаций.

Синхронные

Альтернатор синхронного типа имеет главную особенность, по которой его можно определить с первого взгляда. На его роторе имеется обмоточный провод. Он необходим для стабилизации частоты между статором и ротором. ЭДС в таком устройстве создается за счет пересечения магнитного полюса ротора и обмотки статора.

Альтернатор синхронного типа оснащается роторами с несколькими полюсами, число которых всегда кратно 2, например, 2, 4, 6, 8. Работает генератор переменного тока по следующему принципу:

1. После запуска ротором создается очень слабое магнитное поле. Величина ЭДС увеличивается по мере увеличения оборотов вала. Для первоначального возбуждения используется постоянное напряжение от аккумулятора или блока управления.
2. Если генератор работает от двигателя внутреннего сгорания, сначала необходимо стабилизировать обороты для получения стабильного переменного напряжения.
3. После установки необходимых оборотов, происходит стабилизация напряжения блоком автоматической регулировки (AVR). Обороты двигателя очень сильно влияют на частоту переменного напряжения на выходе и его мощность. Оптимальной считается частота вращения до 3000 оборотов. AVR стабилизирует напряжение под этот параметр, и при сбое значительно снижает напряжение. В противном случае электрические насосы могут быстро потерять мощность и перегреться.

Работа такого генератора сильно зависит от типа нагрузки. Нагрузка индукционного типа сильно влияет на размагничивание якоря. Этот эффект приводит к большой потере напряжения.

При емкостных нагрузках якорь наоборот намагничивается, что значительно увеличивает выходное напряжение. Схема генератора переменного тока синхронного типа представлена ниже.

Синхронный альтернатор имеет одно большое преимущество. Его выходное напряжение намного выше (в 3–4 раза) номинальных значений. Увеличение необходимо, если устройство питает электрические насосы, приборы и устройства, которым нужен стартовый ток. Такие устройства сильно увеличивают реактивные нагрузки на общую сеть, с которыми справляется синхронный генератор.

Недостатки у такого генератора также есть. Первый заключается в высокой чувствительности к перегрузке в цепи. Реакцией на нагрузку является краткий, но достаточно мощный ток на обмотке ротора, который появляется из-за увеличения тока самим блоком регулировки. В результате обмотка выгорает или происходит ее нагрев.

Вторым минусом является искрение. У простейшего генератора синхронного типа на роторе установлены контактные кольца с щетками. Они небезопасны при эксплуатации на промышленных предприятиях, в условии наличия легко воспламеняемых газов или жидкостей. Для таких случаев используются трех машинные генераторы синхронного типа. Устройство и принцип работы генератора переменного тока такого типа сильно отличается. Этот генератор состоит из:

1. Пред возбудителя.
2. Возбудителя.
3. Самого генератора.

Все эти элементы установлены на общий вал. Работа осуществляется следующим образом:

1. Постоянные магниты, установленные на валу, возбуждают обмотку синхронного генератора пред возбудителя. Для такого генератора не требуется наличие аккумулятора или дополнительного генератора для возбуждения. Его работа строится на явлении магнитной индукции, которое возникает при вращении постоянного магнита.
2. Напряжение, которое он сгенерировал, перенаправляется к возбудителю, а точнее на обмотку его статора.
3. Обмотка ротора соединена с трехфазным выпрямителем напряжения.
4. На них действует возбуждение от статора возбудителя.

В конечном итоге генератор выдает номинальное требуемое напряжение, которое регулируется блоком AVR. Вся работа такого устройства производится в одном корпусе, который полностью герметичен.

Асинхронный

Асинхронный генератор переменного тока имеет иное устройство. Его ротор не имеет обмотки. По этой причине принцип его работы сильно отличается. Во время вращения, ротор такого генератора опережает обороты магнитных полей, которые создаются статором. Роторы этих устройств имеют 2 типа обмотки: короткозамкнутую и фазную. Принцип работы асинхронных электрогенераторов следующий:

1. На вспомогательной обмотке статором создается магнитное поле.
2. После чего поле передается ротору и формирует ЭДС на обмотке статора.
3. Выработанное напряжение поступает на блок управления.

Главное отличие заключается в невозможности регулировки напряжения при установленном числе оборотов. Асинхронные генераторы сильно зависимы от приводных двигателей. Любая потеря стабильности приводит к понижению напряжения и частоты тока.

Преимуществом подобных устройств является низкая чувствительность к возникновению коротких замыканий. Применение — питание бытовых приборов, сварочного оборудования и электрических насосов. При наличии реактивной нагрузки, AVR должен увеличить обороты приводного двигателя на короткий срок. При этом включенный в цепь понижающий трансформатор защищает остальные устройства от перенапряжения.

Самые распространенные и универсальные типы генераторов переменного тока имеют 3 независимые обмотки. Такие устройства являются трехфазными. Их принцип работы следующий:

1. По окружности силовой части статора генератора располагаются 3 обмотки. Они имеют смещение 120 градусов.
2. Вращение ротора возбуждает в этих обмотках ЭДС переменного потенциала.
3. ЭДС имеют сдвиг по такту на 1 треть.

Каждая обмотка такого устройства — это независимый однофазный генератор переменного тока, который способен питать бытовую сеть.

Для снижения числа проводников, которые подключены к генератору, используется один общий провод. Он заменяет 3 проводника от приемников. Этот проводник становится нейтралью. Основные особенности трехфазных генераторов следующие:

• Устройство вырабатывает линейное и фазное напряжения.
• При одинаковой нагрузке на каждой фазе по нейтральному проводу не протекает электрическая энергия.
• При разнице нагрузок нейтраль становится проводником тока.
• Если генератором вырабатывается высокое напряжение (больше 380 вольт), к его выходу легко подключается понижающий трансформатор для передачи электрического тока бытовым и промышленным сетям.

Общая схема трехфазного генератора представлена ниже.

Трехфазные генераторы могут использоваться для бытовых нужд. Но подключение стоит проводить между несколькими потребителями или помещениями. Для единоличного потребления подходит однофазная модель синхронного типа. Главное подобрать модель подходящей мощности с небольшим запасом.

Возбуждение

По способу возбуждения, генераторы делятся на 4 основных типа. Они бывают следующими:

1. Возбуждение от постороннего источника. Часто этим источником является аккумулятор или генератор постоянного тока.
2. Устройства с самостоятельным возбуждением. Напряжение на обмотку подается через выпрямитель. Такие виды генераторов постоянного тока имеют старт от аккумулятора, который соединен параллельно со стартером двигателя внутреннего сгорания. Также питание может производиться от блока управления, который подключен к аккумулятору, но значительно увеличивает силу тока для стартового возбуждения.
3. Параллельный генератор. Или устройством, состоящим из двух генераторов разной мощности, которые закреплены на одном валу. Маломощное устройство стартует от аккумулятора, а выработанное напряжение перенаправляет на более мощный альтернатор. Оба устройства работают от одного приводного двигателя.
4. Без возбуждения. Переменный ток вырабатывает генератор переменного тока за счет вращения постоянного магнита. Достаточно просто завести тяговый двигатель и возбуждение появляется за счет магнита. Такие устройства наиболее эффективные. Не зависят от наличия аккумулятора. Могут быть использованы в качестве передвижных станций. Например, трех машинный генератор переменного тока используют этот принцип работы.

Генераторы переменного тока могут иметь схожее устройство. Часто промышленные и бытовые модели различаются только размером и компоновкой. Но есть отличие по принципу возбуждения и количеству фаз. Также существует классификация по схеме подключения внутренней обмотки.

Схемы подключения

Существуют две основные схемы подключения внутренней обмотки. Каждая со своими особенностями.

1. Звезда. Данное подключение подразумевает соединение 3 выходов обмоток в единую точку. Эта точка называется «нуль». Проводники, подключенные к каждому началу обмотки, являются линейными и поставляют ток непосредственно потребителю. Четвертый проводник считается нулем. Такое подключение очень сильно повышает устойчивость сети к сдвигу фаз, во время возникновения разности несимметричных нагрузок.
2. Треугольник. Схема треугольник отличается от звезды. Она предполагает последовательный контакт всех обмоток. Первая обмотка соединяется своим концом с началом второй, а конец второй с началом третьей. Конец третьей и начало первой обмотки соединяют между собой. От каждой точки соединения отводятся линейные проводники. Такая схема подразумевает баланс между фазным и линейным напряжениями. Данная схема очень восприимчива к разности нагрузок на каждой фазе. При появлении разности требуется составление векторной диаграммы и пересчет всех параметров.

Каждая схема подключения также предполагает одинаковое сечение проводов. В случае возникновения большой нагрузки на одной фазе, ее провод может выгореть, что приведет к появлению несимметричности цепи, а по нейтрали, в этом случае, потечет ток.

Инвертор

Инверторный генератор переменного тока представляет собой современный и универсальный блок, который может использоваться для бытовых и промышленных нужд. Состоит устройство из следующих частей:

1. ДВС на бензиновом или дизельном топливе.
2. Простого генератора, вырабатывающего переменный ток.
3. Инверторного преобразователя.
4. Специальных разъемов для подключения нагрузки.
5. Управляющей части.

Особенность таких устройств — это стабильная выдача напряжения, возможность подключения к переменному и постоянному току через отдельные гнезда. Рассмотрим, как работает этот тип генератора.

1. ДВС приводит в движение вал синхронного генератора.
2. Выработанное переменное напряжение поступает на выпрямитель, в который включен трансформатор, диодный мост и радиатор для охлаждения.
3. После выпрямителя, представляющего собой блок преобразователь, ток приобретает напряжение пульсирующего типа частотой до 20000 Гц.
4. Пульсирующий ток направляется в фильтр и пропускается через конденсатор. В итоге ток выравнивается и становится постоянным с напряжением 12–20 вольт (зависит от типа устройства).
5. Постоянный ток передается на инвертор, который преобразует его в переменный ток с рабочей частотой 50 Гц.

На выходе разъема получается ток частотой 50 Гц, напряжением 220 вольт. Инверторные модели генераторов обладают существенным преимуществом. Оно заключается в следующих нюансах конструкции:

1. Выходной переменный ток с идеальной синусоидой. Это обеспечивает бесперебойную работу чувствительного оборудования.
2. Фильтр устройства собран на высоковольтных конденсаторах, способных пропускать через себя напряжение до 400 вольт.
3. Синусоида формируется за счет транзисторного ключа. Ключ многократно преобразует синусоиду за счет парной работы транзисторов.
4. Прибор способен работать в режиме перегрузки всего несколько секунд. При увеличении нагрузки, срабатывает защита и отключает генератор без остановки ДВС.

На данный момент различаются 3 основных типа инверторных генераторов:

1. Прямоугольные. Используются для питания 1–3 электрических приборов малой мощности.
2. Трапецеидальные. Более мощные. Применение — ими можно питать бытовые приборы, но в цепи не должно быть устройств с высоким сопротивлением (чайники, плиты, печи).
3. Синусоидальные. Самые мощные устройства со стабильным напряжением. Можно использовать для питания сложной и чувствительной техники, бытовых приборов.

Инверторные генераторы переменного тока компактные, установить и использовать их довольно просто. В бытовую сеть могут быть подключены через обычный рубильник, с предварительно отсоединенной основной сетью.

Заключение

Статья дала подробное описание всех разновидностей генераторов переменного тока. В данном устройстве используется простой принцип выработки электрического тока за счет образования ЭДС. Генераторы имеют простое устройство, способны обеспечивать бесперебойным электричеством как бытовые, так и промышленные сети.

Генератор постоянного тока: устройство, принцип работы, классификация

На заре электрификации генератор постоянного тока оставался безальтернативным источником электрической энергии. Довольно быстро эти альтернаторы были вытеснены более совершенными и надёжными трехфазными генераторами переменного тока. В некоторых отраслях постоянный ток продолжал быть востребованным, поэтому устройства для его генерации совершенствовались и развивались.

Даже в наше время, когда изобретены мощные выпрямительные устройства, актуальность генераторов постоянного электротока не потерялась. Например, они используются для питания силовых линий на городском электротранспорте, используемых трамваями и троллейбусами. Такие генераторы по-прежнему используют в технике электросвязи в качестве источников постоянного электротока в низковольтных цепях.

Устройство и принцип работы

В основе действия генератора лежит принцип, вытекающий из закона электромагнитной индукции. Если между полюсами постоянного магнита поместить замкнутый контур, то при вращении он будет пересекать магнитный поток (см. рис. 1). По закону электромагнитной индукции в момент пересечения индуцируется ЭДС. Электродвижущая сила возрастает по мере приближения проводника к полюсу магнита. Если к коллектору (два жёлтых полукольца на рисунке) подсоединить нагрузку R, то через образованную электрическую цепь потечёт ток.

Рис. 1. Принцип действия генератора постоянного тока

По мере выхода витков рамки из зоны действия магнитного потока ЭДС ослабевает и приобретает нулевое значение в тот момент, когда рамка расположится горизонтально. Продолжая вращение контура, его противоположные стороны меняют магнитную полярность: часть рамки, которая находилась под северным полюсом, занимает положение над южным магнитным полюсом.

Величины ЭДС в каждой активной обмотке контура определяются по формуле: e₁ = Blvsinw t; e₂ = -Blvsinw t; , где B – магнитная индукция, l – длина стороны рамки, v – линейная скорость вращения контура, t – время, w t – угол, под которым рамка пересекает магнитный поток.

При смене полюсов меняется направление тока. Но благодаря тому, что коллектор поворачивается синхронно с рамкой, ток на нагрузке всегда направлен в одну сторону. То есть рассматриваемая модель обеспечивает выработку постоянного электричества. Результирующая ЭДС имеет вид: e = 2Blvsinw t, а это значит, что изменение она подчиняется синусоидальному закону.

Строго говоря, данная конструкция обеспечивает только полярность неподвижных щеток, но не устраняет пульсации ЭДС. Поэтому график сгенерированного тока имеет вид, как показано на рис.2.

Рисунок 2. График тока, выработанного примитивным генератором

Такой ток, за исключением редких случаев, не пригоден для использования. Приходится сглаживать пульсации до приемлемого уровня. Для этого увеличивают количество полюсов постоянных магнитов, а вместо простой рамки используют более сложную конструкцию – якорь, с большим числом обмоток и соответствующим количеством коллекторных пластин (см. рис. 3). Кроме того, обмотки соединяются разными способами, о чём речь пойдёт ниже.

Рис. 3. Ротор генератора

Якорь изготавливается из листовой стали. На сердечниках якоря имеются пазы, в которые укладываются несколько витков провода, образующего рабочую обмотку ротора. Проводники в пазах соединены последовательно и образуют катушки (секции), которые в свою очередь через пластины коллектора создают замкнутую цепь.

С точки зрения физики процесса генерации не имеет значения, какие детали вращаются – обмотки контура или сам магнит. Поэтому на практике якоря для маломощных генераторов делают из постоянных магнитов, а полученный переменный ток выпрямляют диодными мостами и другими схемами.

И напоследок: если на коллектор подать постоянное напряжение, то генераторы постоянного тока могут работать в режиме синхронных двигателей.

Конструкция двигателя (он же генератор) понятна из рисунка 4. Неподвижный статор состоит из двух сердечников полюсов, состоящих из ферримагнитных пластин, и обмоток возбуждения, соединённых последовательно. Щётки расположены по одной линии друг против друга. Для охлаждения обмоток используется вентилятор.

Рис. 4. Двигатель постоянного тока

Классификация

Различают два вида генераторов постоянного тока:

• с независимым возбуждением обмоток;
• с самовозбуждением.

Для самовозбуждения генераторов используют электричество, вырабатываемое самим устройством. По принципу соединения обмоток якоря самовозбуждающиеся альтернаторы с делятся на типы:

• устройства с параллельным возбуждением;
• альтернаторы с последовательным возбуждением;
• устройства смешанного типа (компудные генераторы).

Рассмотрим более подробно особенности каждого типа соединения якорных обмоток.

С параллельным возбуждением

Для обеспечения нормальной работы электроприборов, требуется наличие стабильного напряжения на зажимах генераторов, не зависящее от изменения общей нагрузки. Задача решается путём регулировки параметров возбуждения. В альтернаторах с параллельным возбуждением выводы катушки подключены через регулировочный реостат параллельно якорной обмотке.

Реостаты возбуждения могут замыкать обмотку «на себя». Если этого не сделать, то при разрыве цепи возбуждения, в обмотке резко увеличится ЭДС самоиндукции, которая может пробить изоляцию. В состоянии, соответствующем короткому замыканию, энергия рассеивается в виде тепла, предотвращая разрушение генератора.

Электрические машины с параллельным возбуждением не нуждаются во внешнем источнике питания. Благодаря наличию остаточного магнетизма всегда присутствующего в сердечнике электромагнита происходит самовозбуждение параллельных обмоток. Для увеличения остаточного магнетизма в катушках возбуждения сердечники электромагнитов делают из литой стали.

Процесс самовозбуждения продолжается до момента, пока сила тока не достигнет своей предельной величины, а ЭДС не выйдет на номинальные показатели при оптимальных оборотах вращения якоря.

Достоинство: на генераторы с параллельным возбуждением слабо влияют токи при КЗ.

С независимым возбуждением

В качестве источника питания для обмоток возбуждения часто используют аккумуляторы или другие внешние устройства. В моделях маломощных машин используют постоянные магниты, которые обеспечивают наличие основного магнитного потока.

На валу мощных генераторов расположен генератор-возбудитель, вырабатывающий постоянный ток для возбуждения основных обмоток якоря. Для возбуждения достаточно 1 – 3% номинального тока якоря и не зависит от него. Изменение ЭДС осуществляется регулировочным реостатом.

Преимущество независимого возбуждения состоит в том, что на возбуждающий ток никак не влияет напряжение на зажимах. А это обеспечивает хорошие внешние характеристики альтернатора.

С последовательным возбуждением

Последовательные обмотки вырабатывают ток, равен току генератора. Поскольку на холостом ходе нагрузка равна нулю, то и возбуждение нулевое. Это значит, что характеристику холостого хода невозможно снять, то есть регулировочные характеристики отсутствуют.

В генераторах с последовательным возбуждением практически отсутствует ток, при вращении ротора на холостых оборотах. Для запуска процесса возбуждения необходимо к зажимам генератора подключить внешнюю нагрузку. Такая выраженная зависимость напряжения от нагрузки является недостатком последовательных обмоток. Такие устройства можно использовать только для питания электроприборов с постоянной нагрузкой.

Со смешанным возбуждением

Полезные характеристики сочетают в себе конструкции генераторов со смешанным возбуждением. Их особенности: устройства имеют две катушки – основную, подключённую параллельно обмоткам якоря и вспомогательную, которая подключена последовательно. В цепь параллельной обмотки включён реостат, используемый для регулировки тока возбуждения.

Процесс самовозбуждения альтернатора со смешанным возбуждением аналогичен тому, который имеет генератор с параллельными обмотками (из-за отсутствия начального тока последовательная обмотка в самовозбуждении не участвует). Характеристика холостого хода такая же, как у альтернатора с параллельной обмоткой. Это позволяет регулировать напряжения на зажимах генератора.

Смешанное возбуждение сглаживает пульсацию напряжения при номинальной нагрузке. В этом состоит главное преимущество таких альтернаторов перед прочими типами генераторов. Недостатком является сложность конструкции, что ведёт к удорожанию этих устройств. Не терпят такие генераторы и коротких замыканий.

Технические характеристики генератора постоянного тока

Работу генератора характеризуют зависимости между основными величинами, которые называются его характеристиками. К основным характеристикам можно отнести:

• зависимости между величинами при работе на холостом ходе;
• характеристики внешних параметров;
• регулировочные величины.

Некоторые регулировочные характеристики и зависимости холостого хода мы раскрыли частично в разделе «Классификация». Остановимся кратко на внешних характеристиках, которые соответствуют работе генератора в номинальном режиме. Внешняя характеристика очень важна, так как она показывает зависимость напряжения от нагрузки, и снимается при стабильной скорости оборотов якоря.

Внешняя характеристика генератора постоянного тока с независимым возбуждением выглядит следующим образом: это кривая, зависимости напряжения от нагрузки (см. рис. 5). Как видно на графике падение напряжения наблюдается, но оно не сильно зависит от тока нагрузки (при сохранении скорости оборотов двигателя, вращающего якорь).

Рис. 5. Внешняя характеристика ГПТ

В генераторах с параллельным возбуждением зависимость напряжения от нагрузки сильнее выражена (см. рис. 6). Это связано с падением тока возбуждения в обмотках. Чем выше нагрузочный ток, тем стремительнее будет падать напряжение на зажимах генератора. В частности, при постепенном падении сопротивления до уровня КЗ, напряжение падёт до нуля. Но резкое замыкание в цепи вызывает обратную реакцию генератора и может быть губительным для электрической машины этого типа.

Рис. 6. Характеристика ГПТ с параллельным возбуждением

Увеличение тока нагрузки при последовательном возбуждении ведёт к росту ЭДС. (см. верхнюю кривую на рис. 7). Однако напряжение (нижняя кривая) отстаёт от ЭДС, поскольку часть энергии расходуется на электрические потери от присутствующих вихревых токов.

Рис. 7. Внешняя характеристика генератора с последовательным возбуждением

Обратите внимание на то, что при достижении своего максимума напряжение, с увеличением нагрузки, начинает резко падать, хотя кривая ЭДС продолжает стремиться вверх. Такое поведение является недостатком, что ограничивает применение альтернатора этого типа.

В генераторах со смешанным возбуждением предусмотрены встречные включения обеих катушек – последовательной и параллельной. Результирующая намагничивающая сила при согласном включении равна векторной сумме намагничивающих сил этих обмоток, а при встречном – разнице этих сил.

В процессе плавного увеличении нагрузки от момента холостого хода до номинального уровня, напряжение на зажимах будет практически постоянным (кривая 2 на рис. 8). Увеличение напряжения наблюдается в том случае, если количество проводников последовательной обмотки будет превышать количество витков соответствующее номинальному возбуждению якоря (кривая 1).

Изменение напряжения для случая с меньшим числом витков в последовательной обмотке, изображает кривая 3. Встречное включение обмоток иллюстрирует кривая 4.

Рис. 8. Внешняя характеристика ГПТ со смешанным возбуждением

Генераторы со встречным включением используют тогда, когда необходимо ограничить токи КЗ, например, при подключении сварочных аппаратов.

В нормально возбуждённых устройствах смешанного типа ток возбуждения постоянный и от нагрузки почти не зависит.

Реакция якоря

Когда к генератору подключена внешняя нагрузка, то токи в его обмотке образуют собственное магнитное поле. Возникает магнитное сопротивление полей статора и ротора. Результирующее поле сильнее в тех точках, где якорь набегает на полюсы магнита, и слабее там, где он с них сбегает. Другими словами якорь реагирует на магнитное насыщение стали в сердечниках катушек. Интенсивность реакции якоря зависит от насыщения в магнитопроводах. Результатом такой реакции является искрение щёток на коллекторных пластинах.

Снизить реакцию якоря можно путём применения компенсирующих дополнительных магнитных полюсов или сдвигом щёток с осевой линии геометрической нейтрали.

Среднее значение электродвижущей силы пропорционально магнитному потоку, количеству активных проводников в обмотках и частоте вращения якоря. Увеличивая или уменьшая указанные параметры можно управлять величиной ЭДС, а значит и напряжением. Проще всего, желаемого результата можно достичь путём регулировки частоты вращения якоря.

Мощность

Различают полную и полезную мощность генератора. При постоянной ЭДС полная мощность пропорциональна току: P = EI_a. Отдаваемая в цепь полезная мощность P₁ = UI.

Важной характеристикой альтернатора является его КПД – отношение полезной мощности к полной. Обозначим данную величину символом η_e. Тогда: η_e=P₁/P.

На холостом ходе η_e = 0. максимальное значение КПД – при номинальных нагрузках. Коэффициент полезного действия в мощных генераторах приближается к 90%.

Применение

До недавнего времени использование тяговых генераторов постоянного тока на ж/д транспорте было безальтернативным. Однако уже начался процесс вытеснения этих генераторов синхронными трёхфазными устройствами. Переменный ток, синхронного альтернатора выпрямляют с помощью выпрямительных полупроводниковых установок.

На некоторых российских локомотивах нового поколения уже применяют асинхронные двигатели, работающие на переменном токе.

Похожая ситуация наблюдается с автомобильными генераторами. Альтернаторы постоянного тока заменяют асинхронными генераторами, с последующим выпрямлением.

Пожалуй, только передвижные сварочные аппараты с автономным питанием неизменно остаются в паре с альтернаторами постоянного тока. Не отказались от применения мощных генераторов постоянного тока также некоторые отрасли промышленности.