Генераторы тока: переменного и постоянного

Генератор тока.

Генератор тока — это такой тип электрической машины, которая способствует преобразованию механической энергии в электрическую. Основано действие генераторов тока по принципу электромагнитной индукции: электродвижущая сила (ЭДС) наводится в движущемся в магнитном поле проводе.

Производить генератор тока может не только постоянный, но и переменный ток. На латыни слово генератор (generator) означает — производитель.

На мировом рынке наиболее известными поставщиками генераторов являются компании: General Electric (GE), ABB, Siemens AG, Mecc Alte.

Генераторы постоянного тока.

Единственным типом источника для получения электроэнергии на протяжении долгого времени были электрические генераторы.

Переменный ток индуктируется в обмотке якоря генератора постоянного тока, затем он электромеханическим выпрямителем — коллектором преобразуется в постоянный ток. Особенно при большой частоте вращения якоря генератора, процесс выпрямления тока коллектором связан с очень частым износом щеток и коллектора.

Различаются генераторы постоянного тока по характеру их возбуждения, они бывают с самовозбуждением и независимого возбуждения. К независимому источнику питания в генераторах с электромагнитным возбуждением подключается обмотка возбуждения, располагающаяся на главных полюсах.

Постоянными магнитами, из которых производятся полюсы машины, возбуждаются генераторы с магнитоэлектрическим возбуждением. Основное применение генераторы постоянного тока находят в тех отраслях промышленности, где постоянный ток является предпочтительным по условиям производства (предприятия электролизной и металлургической промышленности, суда, транспорт и прочие). В качестве источников постоянного тока и возбудителей синхронных генераторов применяются генераторы постоянного тока на электростанциях.

Может достигать до 10 Мегаватт мощность генератора тока.

Генераторы переменного тока.

При достаточно высоком напряжении получать большие токи позволяют генераторы переменного тока. Несколько типов индукционных генераторов различают в настоящее время.

Они состоят из создающего магнитное поле постоянного магнита или электромагнита и обмотки, индуцируется в которой переменная ЭДС. Так как складываются наводимые в последовательно соединенных витках ЭДС, то в рамке индукции амплитуда ЭДС будет пропорциональна количеству в ней витков. Также она пропорциональна через каждый виток амплитуде переменного магнитного потока. В генераторах тока, чтобы получить большой магнитный поток применяется специальная магнитная система, состоящая из двух сердечников, изготовленных из электротехнической стали. В пазах одного из сердечников размещены создающие магнитное поле обмотки, а в пазах второго располагаются обмотки, в которых индуцируется ЭДС. Один из сердечников называется ротором, так как он вращается вокруг вертикальной или горизонтальной оси, вместе со своей обмоткой.

Другой сердечник называется статором — это неподвижный сердечник с его обмоткой. Как можно меньшим делается зазор между сердечниками ротора и статора, наибольшее значение потока магнитной индукции обеспечивается этим. Электромагнит, являющийся ротором вращается в больших промышленных генераторах, а обмотки, уложенные в пазах статора и в которых наводится ЭДС остаются неподвижными.

С помощью скользящих контактов приходится во внешнюю цепь подводить ток к ротору или отводить его из обмотки ротора. Контактными кольцами, которые присоединены к концам его обмотки для этого снабжается ротор. К кольцам прижаты неподвижные пластины-щетки, они осуществляют связь с внешней цепью обмотки ротора. В обмотках создающего магнитное поле электромагнита, сила тока значительно меньше той силы тока, которую отдает генератор тока во внешнюю цепь. Поэтому гораздо удобнее снимать генерируемый ток с неподвижных обмоток, а сравнительно слабый ток подводить через скользящие контакты к вращающемуся электромагниту. Вырабатывается этот ток, расположенным на том же валу отдельным генератором постоянного тока (возбудителем). Вращающимся магнитом создается магнитное поле в маломощных генераторах тока, щетки и кольца в таком случае вообще не требуются.

Бывают двух типов обмотки возбуждения синхронных генераторов: с явнополюсными и неявнополюсными роторами. Выступают из индуктора несущие обмотки возбуждения в генераторах с явнополюсными роторами полюса. На сравнительно низкие частоты вращения рассчитаны генераторы данного типа, они используются для работы с приводом от поршневых паровых машин, гидротурбин, дизельных двигателей. Для привода синхронных генераторов с неявнополюсными роторами применяются газовые и паровые турбины. Стальную поковку с фрезерованными продольными пазами для витков обмотки возбуждения, которые обычно выполнены в виде медных пластин, представляет собой ротор такого генератора. В пазах фиксируются витки, а для снижения потерь мощности и уровня шума, связанных с сопротивлением воздуха шлифуется, а затем полируется поверхность ротора.

По большей части трехфазными делаются обмотки генераторов тока. Подобное сочетание движущихся частей, способных создавать энергию также экономично и непрерывно, встречается в механике редко.

Современный генератор тока является внушительным сооружением, состоящим из медных проводов, стальных конструкций и изоляционных материалов. С точностью до 1 миллиметра изготавливаются важнейшие детали генераторов, которые сами имеют размеры несколько метров.

Изучаем генераторы постоянного и переменного тока

Работа электронного оборудования, бытовых электрических сетей и автомобилей прямо зависит от генераторов. Статья подробно раскроет тему, что такое генераторы постоянного и переменного тока. Будет описан каждый тип этих устройств, разновидности, принцип работы.

Принцип работы

Простейший генератор переменного тока состоит из следующих частей:

1. 2 постоянных разнополюсных магнита.
2. Рамки из медной проволоки.
3. Контактных колец, с которых снимается полученное напряжение.

Работает простой альтернатор по следующему принципу:

1. Постоянные магниты создают магнитное поле.
2. При вращении медной рамки, эти поля пересекаются самой рамкой.
3. При пересечении полей, на рамке образуется электричество.
4. При отсутствии пересечения, напряжение пропадает.

Рамка, осуществляя одно полное вращение, дважды пересекает магнитное поле. Таким образом направленность ЭДС меняется на противоположную. Смена направленности ЭДС приводит к возникновению синусоидального или переменного тока.

В таком эксперименте прослеживается не только смена направленности ЭДС, но и полная потеря электрического напряжения. Для того чтобы этот эффект сошел на нет, генератор переменного тока оснащается приводом. Привод используется для постоянного вращения якоря генератора, с целью минимизации потери напряжения и поддержания его на заданном уровне. Генераторы приводятся в действие несколькими способами. Это может быть двигатель внутреннего сгорания, передаточное вращение от энергии воды, пара, сжигания нефти или газа, энергия ветра.

Генераторы переменного тока

Генераторы переменного тока устроены и работают по принципу простейшего экспериментального альтернатора. Эти устройства состоят из следующих элементов:

1. Ротор. Представляет собой металлический сердечник, надетый на основной вал генератора. Ротор может быть оснащен обмоточным проводом или не иметь его. Все зависит от типа устройства. Ротор подвижная часть устройства. Приводится в движение за счет приводного механизма (двигателя, турбины, лопастей).
2. Статор. Неподвижная часть, которая так же оснащена медной обмоткой. Обмотка помещена в специально прорезанные пазы, имеет изоляцию между металлическим корпусом и самим проводом.
3. Контактные кольца с щетками или коллектором. Эти элементы используются для подачи постоянного напряжения к обмоткам для их первоначального возбуждения. Также коллектор используется в качестве выпрямителя. Он предотвращает смену направленности.

Работает такой генератор по следующему принципу:

1. Ток возбуждения поступает на обмотку статора, который является постоянным магнитом. Далее происходит образование магнитного поля.
2. Вращающийся ротор с обмоткой также становится постоянным магнитом. Из-за этого создается ЭДС между статором и ротором.
3. Во время вращения происходит пересечение магнитного поля, за счет чего образуется переменный ток.
4. Ток поступает через коммутационный щеточный узел в подключенную цепь.

Генераторы переменного тока имеют множество разновидностей. Они отличаются по:

1. Классификации. Могут быть синхронными и асинхронными. Синхронные зависимы от частоты вращения и частоты переменного ЭДС. Такие генераторы легко определить визуально. Их подвижный ротор имеет обмотку. Асинхронные не имеют обмотки на роторе. Они не зависят от частоты вращения, более устойчивы к изменению частоты оборотов и не подвержены быстрому нагреву во время коротких замыканий.
2. По способу возбуждения. Выделяются 4 основных типа: от постороннего источника питания; самовозбуждающиеся; от более мощного генератора, который работает совместно с основным; от постоянного магнита.
3. По количеству фаз. Различаются одно-, двух- и трехфазные модели. Самыми распространенными являются трехфазные типы устройств.
4. По способу соединения обмотки статора. Основных схем существует 2 — это треугольник и звезда. Отличаются эти две схемы способом соединения. Когда используется «звезда», то все концы обмоток соединены в одной точке. «Треугольник» — предусматривает последовательное соединение всех концов обмотки.
5. По конструкции. Генераторы переменного типа могут быть: с неподвижным статором или с неподвижным ротором.
6. По способу преобразования энергии.

Также генераторы могут отличаться по способу эксплуатации. Они бывают стационарными или переносными.

Преимущества

Преимущество генераторов переменного тока заключается в следующем:

1. Возможность получения электрического тока при использовании различных приводов. Таким образом есть возможность преобразования практически любого вида энергии в электрический ток.
2. Выработка тока даже при малых оборотах вала.
3. Отсутствие ограничителей, регуляторов и реле.
4. Токосъемное устройство значительно надежнее.
5. Высокий срок службы.
6. Низкие затраты на производство.
7. Подача переменного напряжения как в сложно разветвленные сети, так и к отдельным бытовым потребителям.

Достоинство генераторов переменного тока состоит еще и в том, что на их основе можно легко создать устройство для выработки постоянного тока.

Недостатки таких устройств следующие:

1. Зависимость от частоты вращения.
2. Подверженность нагреву обмотки в результате возникновения нагрузки.
3. Сложный ремонт и замена обмотки.
4. Потребность в выпрямителе тока.

Генераторы постоянного тока

Устройство генератора постоянного тока ничем не отличается от устройства, которое вырабатывает переменный ток. Первые генераторы постоянного тока отличались только наличием полуколец для отвода электрического тока. Принцип их работы заключался в том, что щеткой снималось напряжение только определенного полюса. Например, одна снимала только «+», а вторая только минус. Таким образом в цепь передавался постоянный ток. Главным недостатком таких устройств является высокая зависимость напряжения от частоты оборотов якоря. При снижении оборотов напряжение падает, а при увеличении стабилизируется на необходимом уровне. Но высокое число оборотов приводит к разбалансировке якоря, быстрой выработке самих щеток и удерживающих якорь подшипников.

Для получения постоянного тока с малым напряжением используются генераторы с выпрямителем или диодным мостом. Конструктивно этот механизм относится к генераторам асинхронного типа.

Принцип преобразования переменного тока в постоянный на примере автомобильного генератора постоянного тока:

1. Генератором вырабатывается переменный ток. При этом устройство имеет трехфазную обмотку, соединенную по схеме «звезда».
2. С каждой фазы ток поступает на один из 6 диодов, из которых состоит мост. За 1 период в преобразовании задействуется 2 диода для каждой фазы.
3. Смена потенциала тока на каждой фазе заставляет диоды пропускать ток только в определенном направлении.

Таким образом происходит сглаживание синусоиды. Через открытую сторону каждого диода проходит только ток положительного значения. На выходе с диодов снимается только положительное значение или «+». В схеме может присутствовать 6 или 8 диодов. Каждая пара диодов называется плечом. 8 полупроводников используются для схемы типа «звезда». Дополнительная пара подключается к нулевому контакту на статоре. Такие выпрямители более мощные. Они обеспечивают примерно на 15 % больше напряжения во время работы на холостом ходу.

Также существуют схемы, в которых может быть задействовано до 11 диодов. Такие генераторы получают питание регулятора и обмоток за счет дополнительных пар полупроводников.

В таких генераторах имеется электронное реле выпрямителя. Это устройство обеспечивает контроль выработанного напряжения, сглаживает скачки напряжения, предотвращает нагрев обмотки и возникновение нагрузок при коротких замыканиях.

1. Отсутствие зависимости от перепада оборотов вала.
2. Выработка только постоянного напряжения.
3. Возможность регулировки выработанного напряжения.

Недостаток таких механизмов только в разбалансировке вала и стирании щеток при больших, неконтролируемых оборотах.

Различия

Далее необходимо будет разобраться, в чем основные отличия генераторов переменного и постоянного тока. Они заключаются в следующем:

1. Генератор постоянного тока оснащается полукольцом для изменения направленности тока.
2. Для получения постоянного напряжения может использоваться диодный мост.
3. Необходимость использования реле регулятора.
4. Также есть отличие при зависимости от частоты оборотов приводного механизма.

Например, автомобильный генератор не может заряжать аккумулятор при работе на холостом ходу. В этом режиме двигатель машины вращается с частотой 800 оборотов/мин. Таких оборотов не хватает, чтобы выработать зарядный ток достаточной мощности.

1. Генератор постоянного тока оснащается полукольцом для изменения направленности тока.
2. Для получения постоянного напряжения может использоваться диодный мост.
3. Необходимость использования реле регулятора.
4. Также есть отличие при зависимости от частоты оборотов приводного механизма.Например, автомобильный генератор не может заряжать аккумулятор при работе на холостом ходу. В этом режиме двигатель машины вращается с частотой 800 оборотов/мин. Таких оборотов не хватает, чтобы выработать зарядный ток достаточной мощности.
5. Использование соединения типа «треугольник» не используется в генераторах постоянного напряжения. Причина кроется в том, что происходит скачкообразное изменение фазных ЭДС во времени. В электромашинах переменного типа такие изменения более сглажены.
6. Устройства, вырабатывающие электричество, не имеют особой конструктивной разницы. Но генераторы постоянного типа требуют большего контроля со стороны человека. Электромашины переменного типа более надежны, требуют меньшего вмешательства, так как часто не оснащаются сложным электронным оборудованием для регулировки и контроля напряжения.
7. Переменное напряжение вырабатывается при меньших затратах на медную обмотку, при этом габаритные размеры таких генераторов могут быть значительно меньше.
8. Для выработки зарядного тока, генератор должен работать через передаточный механизм. Только так можно добиться мгновенной выработки нужного значения при малых оборотах.

Использование электрических машин, вырабатывающих постоянный ток не является целесообразным. Это связано с тем, что они менее надежные. Гораздо менее затратными являются устройства для выработки переменного напряжения, которые оснащены выпрямителями. Такой механизм может работать практически на любых оборотах с сохранением нужного напряжения и имеет защиту от перегрузок. Габариты такого устройства будут намного меньше, при том что выходная мощность устройств будет одинаковой.

Заключение

Переменные и постоянные генераторы имеют схожую конструкцию. Отличаются они только необходимостью преобразования тока из одного значения в другое. Генераторы постоянного тока при этом имеют более сложную схему, и во время их работы требуется контроль со стороны человека.

Видео по теме

Электрические генераторы

Генераторы — электрические машины производящие электроэнергию

Электрогенераторы — это электрические машины, преобразующие механическую энергию в электрическую энергию.

Действие электрических генераторов основано на принципе электромагнитной индукции: в проводе, движущемся в магнитном поле, наводится электродвижущая сила — ЭДС .

Электрические генераторы могут производить как постоянный , так и переменный ток . Слово генератор (generator) переводится с латыни как производитель.

Известными поставщиками генераторов на мировой рынок являются такие компании как: Mecc Alte , ABB , General Electric (GE) , Siemens AG .

Электрические генераторы постоянного тока

Долгое время электрические генераторы постоянного тока были единственными типом источника электроэнергии.

В обмотке якоря генератора постоянного тока индуктируется переменный ток, который преобразуется в постоянный ток электромеханическим выпрямителем — коллектором. Однако процесс выпрямления тока коллектором связан с повышенным износом коллектора и щеток, особенно при большой частоте вращения якоря генератора.

1– коллектор; 2 – щетки; 3 – магнитные полюса; 4 – витки; 5 – вал; 6 – якорь

Генераторы постоянного тока различают по характеру их возбуждения — независимого возбуждения и самовозбуждением. В генераторах с электромагнитным возбуждением обмотка возбуждения, располагаемая на главных полюсах, подключается к независимому источнику питания. Генераторы с магнитоэлектрическим возбуждением возбуждаются постоянными магнитами, из которых изготовляются полюсы машины. Генераторы постоянного тока находят применение в тех отраслях промышленности, где по условиям производства предпочтительным является постоянный ток — на предприятиях металлургической и электролизной промышленности, на транспорте, судах и др. Генераторы постоянного тока используются на электростанциях в качестве возбудителей синхронных генераторов и источников постоянного тока .

Мощность генераторов постоянного тока может достигать десятка мегаватт.

Генераторы переменного тока

Генераторы переменного тока позволяют получать большие токи при достаточно высоком напряжении. В настоящее время имеется несколько типов индукционных генераторов.

Они состоят из электромагнита или постоянного магнита, создающие магнитное поле, и обмотки, в которой индуцируется переменная ЭДС. Так как ЭДС, наводимые в последовательно соединенных витках, складываются, то амплитуда ЭДС индукции в рамке пропорциональна числу витков в ней. Она пропорциональна также амплитуде переменного магнитного потока через каждый виток. Для получения большого магнитного потока в генераторах применяют специальную магнитную систему, состоящую из двух сердечников, сделанных из электротехнической стали. Обмотки, создающие магнитное поле, размещены в пазах одного из сердечников, а обмотки, в которых индуцируется ЭДС, — в пазах другого. Один из сердечников (обычно внутренний) вместе со своей обмоткой вращается вокруг горизонтальной или вертикальной оси. Поэтому он называется ротором.

Неподвижный сердечник с его обмоткой называют статором. Зазор между сердечниками статора и ротора делают как можно меньшим. Этим обеспечивается наибольшее значение потока магнитной индукции. В больших промышленных генераторах вращается электромагнит, который является ротором, в то время как обмотки, в которых наводится ЭДС, уложены в пазах статора и остаются неподвижными.

Подводить ток к ротору или отводить его из обмотки ротора во внешнюю цепь приходится при помощи скользящих контактов. Для этого ротор снабжается контактными кольцами, присоединенными к концам его обмотки. Неподвижные пластины — щетки — прижаты к кольцам и осуществляют связь обмотки ротора с внешней цепью. Сила тока в обмотках электромагнита, создающего магнитное поле, значительно меньше силы тока, отдаваемого генератором во внешнюю цепь. Поэтому генерируемый ток удобнее снимать с неподвижных обмоток, а через скользящие контакты подводить сравнительно слабый ток к вращающемуся электромагниту. Этот ток вырабатывается отдельным генератором постоянного тока (возбудителем), расположенным на том же валу.

В маломощных генераторах магнитное поле создается вращающимся постоянным магнитом. В таком случае кольца и щетки вообще не нужны. Появление ЭДС в неподвижных обмотках статора объясняется возникновением в них вихревого электрического поля, порожденного изменением магнитного потока при вращении ротора.

Обмотки возбуждения синхронных генераторов бывают двух типов: с явнополюсными и неявнополюсными роторами. В генераторах с явнополюсными роторами полюса, несущие обмотки возбуждения, выступают из индуктора. Генераторы такого типа рассчитаны на сравнительно низкие частоты вращения, для работы с приводом от поршневых паровых машин, дизельных двигателей, гидротурбин. Паровые и газовые турбины используются для привода синхронных генераторов с неявнополюсными роторами. Ротор такого генератора представляет собой стальную поковку с фрезерованными продольными пазами для витков обмотки возбуждения, которые обычно выполняются в виде медных пластин. Витки закрепляются в пазах, а поверхность ротора шлифуется и полируется для снижения уровня шума и потерь мощности, связанных с сопротивлением воздуха.

Обмотки генераторов по большей части делают трехфазными — на выходных зажимах генератора вырабатываются три синусоидальных напряжения переменного тока, поочередно достигающих своего максимального амплитудного значения. В механике редко встречается подобное сочетание движущихся частей, которые могли бы порождать энергию столь же непрерывно и экономично.

Мощные синхронные генераторы охлаждаются водородом . Современный генератор электрического тока — это внушительное сооружение из медных проводов, изоляционных материалов и стальных конструкций. При размерах в несколько метров важнейшие детали генераторов изготовляются с точностью до миллиметра.

Источники:

http://www.calc.ru/Generator-Toka.html

http://profazu.ru/knowledge/electrical/generatory-postoyannogo-i-peremennogo-toka.html

http://manbw.ru/analitycs/electrogen.html