Генератор переменного тока

Виды и их особенности

Современные модели бытовых электрогенераторов классифицируются по 3-м признакам:

1. Синхронности.
2. Типу используемого топлива.
3. Назначению.

Бытовой переносной газовый электрогенератор мощностью 2 кВтИсточник alicdn.com

Разберем их особенности более подробно.

Синхронные и асинхронные

В зависимости от того, какой принцип лежит в работе, агрегаты разделяются на 2 вида:

Синхронные.

Главная специфика генераторов данного типа – прямая зависимость характеристик вырабатываемого тока от скорости вращения якоря. Благодаря этому возникает возможность точно задавать параметры выдаваемого электричества.

Работает по алгоритму:

1. Ротор вращается от любого двигателя, например, турбины.
2. На его обмотку подается постоянный ток.
3. Возникающая при этом ЭДС генерирует переменное магнитное поле.
4. Под его действием в статорной обмотке возникает ток.

Именно такого рода электрогенераторами оснащается большая часть электростанций.

Асинхронные.

Асинхронный генератор переменного тока – это, по сути, асинхронный электродвигатель, так как оба относятся к однотипным статорно-роторным устройствам. При этом чтобы мотор заработал в качестве электрогенератора, потребуется увеличить скорость вращения якоря до нужного значения.

Асинхронный двигатель легко переделывается в электрогенераторИсточник ytimg.com

Недостатки данного типа агрегатов выражаются в необходимости возбуждать обмотку после подключения реактивной нагрузки – ввиду роста стартовой нагрузки и последующего провала мощности. Кроме того, требуется точно подобранный конденсатор. В противном случае ток будет меньше, чем необходим или установка будет перегреваться.

Вид топлива

Для получения вращающего момента применяется ДВС. В нем тепловая энергия от сжигания топлива превращается в механическую энергию, которая в свою очередь передается на вращение вала ротора. Для этой цели применяются следующие виды энергоресурса:

Газ.

Особенности газовых агрегатов проявляются в следующем:

1. Отсутствие загрязняющих окружающую среду выхлопов.
2. Доступность и дешевизна топлива.
3. Автоматическая подача и контроль уровня газа.

Недостаток выражается в необходимости обустройства отдельного теплого помещения под контролирующую аппаратуру. Более того, к газовому хранилищу предъявляются особые требования безопасности.

Автономная газовая электростанция для питания приборов частного домаИсточник ytimg.com

Простейшие дизельные генераторы переменного тока имеют следующий ряд плюсов:

1. Доступность и дешевизна энергоресурса.
2. Пожаро-взрывобезопасность, что особенно актуально в сравнении с газовыми моделями.
3. Длительная работа без остановок и аварий с одного запуска.
4. Возможность оснащения автозапуском.
5. Долговечность.

Проблема дизельных агрегатов выражается в затрудненном запуске на морозе.

Бензин.

Преимущества бензиновых моделей выражаются в следующем:

1. Малые размеры и вес установок.
2. Доступность эксплуатации, обслуживания и ремонта.
3. Оснащенность автоматической защитой.
4. Минимальный уровень рабочего шума.
5. Возможность использования в помещении.

Видео о том, что такое генератор и как он работает:

Главный минус проявляется в высокой цене топлива.

Назначение

По назначению электрогенераторы разделяются на 3 вида:

• Бытовые. В зависимости от цели использования в быту применяются установки мощностью от 0,6 до 25-27 кВт. Ими снабжаются приборы, работающие в доме, гараже, придомовых постройках и на участке. Такие модели также берутся и на стройплощадку, и на отдых на природе.
• Профессиональные. Мощность установок ограничивается номиналом в 100 кВт. Агрегат может использоваться на объектах как временно, так и постоянно.
• Промышленные. Для питания мощного цехового оборудования применяются агрегаты мощностью более 100 кВт. Характеризуются большими габаритами, весом и сложностью в обслуживании.

Видео-пример изготовления генератора из асинхронного двигателя:

Коротко о главном

Электрогенератор работает по закону электромагнитной индукции – когда при пропускании переменного магнитного поля через неподвижный проводник возникает ток. Состоит агрегат из вращающегося от внешнего привода ротора и неподвижного статора в виде обмотки, с контактов которой в итоге снимается электроток.

Применяются электрогенераторы в различных сферах – и в быту, и в промышленности. Подключаться они могут вручную, автоматически и синхронно. Классифицируются по нескольким признакам:

• Асинхронные и синхронные.
• Газовые, дизельные и бензиновые.
• Бытовые, профессиональные, промышленные.

Как выбрать?

При выборе генератора важно найти подходящее и надежное устройство, которое сможет обеспечить электроэнергией отведенную площадь. Для начала необходимо определиться с техническими параметрами будущего устройства

Специалисты советуют обратить внимание на:

• массу электрогенератора;
• габариты устройства;
• мощность;
• расход топлива;
• показатель шума;
• продолжительность работы.

А также важным параметром является возможность организации автоматической работы. Чтобы понять, сколько фаз требуется будущему генератору, необходимо определиться с типом и количеством электроприборов, которые будут к нему подключаться.

Однако не всегда покупка подобной мобильной электростанции становится лучшим решением.

Перед покупкой дополнительно рекомендуется учесть нагрузку, которая будет оказана на устройство во время его работы. На каждую фазу должна приходиться нагрузка максимум в 30% от общего количества. Таким образом, если мощность генератора составляет 6 кВт, то в случае использования розеток с напряжением в 220 В удастся задействовать только 2 кВт.

Покупка трехфазного генератора востребована только тогда, когда в доме много трехфазных потребителей. Если большинство приборов однофазные, лучше приобрести соответствующий агрегат.

Опции и дополнительные возможности

Значительное влияние на цену оказывают опции. Хоть генераторы «с наворотами» стоят дороже, некоторые из дополнительных возможностей могут быть очень полезны. Например:

• Защита от утечки. Встроенное УЗО, которое отслеживает наличие пробоя изоляции и отключает установку при появлении тока утечки.
• Защита от перегрузки. Функция не даёт работать деталям «на износ».
• Автоматический запуск. При пропадании электроэнергии генератор запускается сам.

Использование может быть разным

Есть ещё такие, без которых можно обойтись, но делающие эксплуатацию генератора тока более удобной. Например, контроль параметров с одновременным отображением на дисплее или передача данных о состоянии генератора на подключённый компьютер. Ещё, может быть, целый ряд конструктивных «добавок»: шумогасящий кожух, защитный кожух от низких температур, увеличенный топливный бак и т. д.

Схема подключения

Для ввода в эксплуатацию однофазного генератора необходимо придерживаться нескольких правил, особенно если устройство подключается к жилому дому своими руками.

Генератор в процессе установки необходимо защищать от влаги. При монтаже следует устранить выхлопы газа путем их отвода. При максимальных нагрузках можно использовать резервный источник. Для уменьшения затрат необходимо подбирать корректную схему монтажа. Обычно электрогенератор устанавливается после счетчика. Если существует нестабильная подача электрической энергии, нужно выбирать наиболее простые схемы.

Присоединение к распределительному автомату, если рядом есть рабочая заземленная розетка, будет оптимальным вариантом. Наличие трехпозиционного стационарного переключателя позволит подключить электрооборудование и не отсоединять провода от его зажимов. Ток по цепи может проходить от различных веток, при этом подключение нагрузки возможно лишь к одной. В целях исключения контактов проводов рекомендуется установить нейтральное положение. Однофазный генератор обладает собственным нолем, поэтому переключатель должен быть соответствующим.

При самостоятельном подключении нужно учитывать показатель мощности, типы потребителей энергии и двигателя. Однофазный генератор рекомендован для подсоединения приборов, которые рассчитаны на производительность от сети 220 вольт. Генерируемая таким устройством энергия в 10-15 киловатт позволит максимально покрыть потребности электроснабжения стандартного загородного дома. При этом вычисляется нужная мощность установки и общее домовое потребление электроэнергии при пиковой нагрузке.

Далее смотрите видеоурок о том, как подключить генератор к сети.

1.4 Индукторные генераторы

В индукторных
генераторах (ИГ) магнитная индукция в каждой точке якорной зоны меняется только
по величине, а её направление сохраняется неизменным. Изменение во времени
магнитного потока, сцепленного с каждой секцией обмотки якоря, достигается за
счет периодического изменения магнитного сопротивления на пути потока.

Рисунок 8 – Однопакетный ИГ

На рисунке 8
показан однопакетный ИГ с неявнополюсным статором, на котором размещается
якорная обмотка 1, распо­ложенная в пазах шихтованного сердечника 2. Кроме
того, на статоре размещается обмотка возбуждения 3, питаемая по­стоянным током.
На роторе имеется стальная втулка 4, на которой находятся шихтованные выступы
5. Основной магнитный поток Ф, создаваемый обмоткой воз­буждения, замыкается по
пути: корпус 6 — втулка 4 — сердеч­ник 2 — корпус 6. Между втулкой 4 .и
сердечником статора 2 поток разветвляется: его большая часть Фmax
замыкается че­рез выступы 5 и наименьший зазор 6 min,
а меньшая часть Фmin — через наибольший зазор бmax. (величина потока обрат­но пропорциональна магнитному
сопротивлению на его пути). При вращении ротора с каждой секцией якорной
обмотки бу­дет поочередно сцеплен то Фmax, то Фmin.. Таким образом, по­ток меняется по величине, но
его направление (на рисунке 8 – от центра к периферии) сохраняется в каждой
точке зазора. За счет изменения Ф во времени в обмотке якоря наводится э.д.с.

На рисунке 9
(обозначения те же, что и на рисунке по­казан двух пакетный ИГ с явно
полюсным статором. Здесь якорная обмотка выполнена в виде катушек, охватывающих
ших­тованные выступы сердечника статора. Имеются одна обмотка возбуждения 3 и
две симметричные активные зоны слева и справа от обмотки 3, в которых, как и на
рисунке 8, через δmin замыкается Фmах,
а через δmах замыкается Фmin.

Конструкции,
показанные на рис, 8 и 9, называют­ся одноименно полюсными, так как магнитная
индукция имеет одинаковое направление в каждой точке зазора.

Рисунок 9 – Двухпакетный
ИГ с явно полюсным статором

Внешние
характеристики индукторных генераторов подобны характеристикам явнополюсных
синхронных генераторов.

Достоинства:
отсутствие вращающейся обмотки, простота и надежность конструкции; относительно
малые вес обмотки возбуждения и потери в ней, а следовательно, и в регуляторе;
относительно высокий к. п. д. и простота регулирования по­тока взаимоиндукции.
Допускают высокие частоты вращения. Могут быть выполнены на большие частоты
(тысячи Гц), при которых они наиболее конкурентоспособны с генераторами других
типов.

К
недостаткам относятся: низкое использование (менее чем на 50%) активного слоя
вследствие того, что полезно используется лишь переменная составляющая пульси­рующего
потока; высокая реактивность, что иногда требует емкостную компенсацию;
зависимость формы кривой э. д. с. от величины и характера нагрузки.

Существуют
разноименно полюсные ИГ, в которых якорная зона имеет области с магнитным полем
разного направления (напомним, однако, что в каждой данной точке рабочего
зазора поле сохраняет направление и меняется только по величине). Такой ИГ
показан на рисунке 10, а.

Рисунок
10 – Разноименно полюсные ИГ

Он имеет обмотку возбуждения 1, стороны которой
параллельны оси. На статоре есть выступы с обмоткой якоря 2. Ротор также
явнонополюсный. Полный поток вокруг обмотки возбуждения 1 замыкается по двум
основным путям: через δmin замыкается поток Фmаx и
через δmах — поток Фmin. При вращении
якоря поток в каждой катушке якорной обмотки 2 меняется во време­ни и наводит
э.д.с. В верхней половине сечения на рисунке 10, а поле всюду направлено от
центра, а в нижней — к центру, т.е. на роторе и статоре можно выделить
полюсы разной полярности, в отличие от предыдущих конструкций ИГ, где в каждом
сечении активной зоны полюсы имели одинаковую полярность.

Общими недостатками для всех типов индукторных генераторов является их
больший вес (на 40—60% больше, чем у генераторов с вращающимися выпрямителями).
Пакет якоря имеет, по меньшей мере, удвоенные размеры и вес по сравнению с
якорем альтернативного генератора. Индукторные генераторы имеют плохую форму
кривой напряжения, крутопадающие внешние характеристики и малый коэффициент
перегрузки. Динамические характеристики их невысокие.

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. 

Новое направление — индукторные приводы

Технология изготовления и применения, управляемого индукторного привода (ИП) является передовой и наиболее перспективной в области силового электропривода. Индукторный двигатель (ИД) имеет простую и надёжную конструкцию.

Ротор – зубчатый без обмоток, не имеет стержней и постоянных магнитов, набирается из листов электротехнической стали.

Статор – зубчатый, шихтованный, обмотка в виде катушек, устанавливаемых на зубцы (полюсы) и объединённых в несколько фаз.

Катушки не имеют пересекающихся лобовых частей, что повышает их долговечность и обеспечивает легкую ремонтопригодность (достаточно заменить одну катушку, вышедшую из строя, при этом соседние катушки остаются не тронутыми).

Питается ИД от блока управления, с применением IGBT транзисторов, путём поочерёдной подачи импульсов напряжения на катушки по сигналам от датчика положения ротора, что обеспечивает формирование механической характеристики практически в любом диапазоне. Изменением частоты следования импульсов регулируется частота вращения ротора в широких пределах при сохранении неизменным КПД. Изменением длительности импульсов напряжения регулируется момент и мощность двигателя.

Программно управляемая микропроцессорная система, позволяет осуществлять коррекцию естественной механической характеристики при реализации электропривода для тяговой, вентиляторной, крановой, экскаваторной и другими типами нагрузок.

ИД характеризуется длительной и безотказной работой в динамических режимах с частыми пусками и остановками. При этом пуск механизма осуществляется плавно. В ИД отсутствуют пусковые токи. При запуске величина токов не превышает номинальных значений. Максимальная частота управляющих импульсов не превышает 250 – 300 Гц.

ИД обладает уникальным свойством, принципиально отличающим его от других электрических машин, которое обеспечивает его повышенную живучесть, – это отсутствие обмоток ротора, отсутствие скользящего контакта, магнитная и электрическая независимость его фаз. Поэтому повреждение какой-либо одной или нескольких катушек не приводит к полной потере работоспособности привода, как у двигателей постоянного и переменного тока, а только частично снижает его мощность.

По сравнению с частотно-регулируемым асинхронным двигателем индукторный двигатель имеет более высокий КПД (на 3–5 %) при таких же габаритах.

Принцип действия индукционного генератора

Принцип действия индукционного генератора основан на законе электромагнитной индукции — индуцирование электродвижущей силы в прямоугольном контуре (проволочной рамке), находящейся в однородном вращающемся магнитном поле, или наоборот, прямоугольный контур вращается в однородном неподвижном магнитном поле. Если в контуре вращается однородное магнитное поле с равномерной угловой скоростью, то в нем индуктируется синусоидальная электродвижущая сила.

Индукционный генератор переменного тока

Это электрическая машина, преобразующая механическую энергию в электрическую энергию переменного тока, например, за счет вращения проволочной катушки в магнитном поле, или, наоборот, за счет вращения магнита. До тех пор, пока силовые линии магнитного поля пересекают проводящую катушку, в ней индуцируется электрический ток. Индуцированный электрический ток течет таким образом, что его поле отталкивает магнит, когда рамка приближается к нему, и притягивает, когда рамка удаляется. Каждый раз, когда рамка изменяет ориентацию относительно полюсов магнита, электрический ток также изменяет свое направление на противоположное. Все то время, пока источник механической энергии вращает проводник (или магнитное поле), генератор будет вырабатывать переменный электрический ток.

Устройство индукционного генератора

По конструкции выделяют генераторы:

• с неподвижными магнитными полюсами и вращающимся якорем,
• с вращающимися магнитными полюсами и неподвижным статором.

Генераторы с неподвижными магнитными полюсами используются чаще, поскольку при неподвижной статорной обмотке нет необходимости снимать с помощью скользящих контактов (щеток) и контактных колец с ротора большой ток высокого напряжения. Статор (неподвижная часть) собирается из отдельных железных листов, изолированных друг от друга, а на внутренней поверхности статора имеются пазы, куда вкладываются провода статорной обмотки генератора. Ротор (подвижная часть) обычно изготавливают из сплошного железа, а полюсные наконечники магнитных полюсов ротора собирают из листового железа. Для создания максимально возможной магнитной индукции при вращении между статором и полюсными наконечниками ротора желателен минимальный зазор, а геометрическую форму полюсных наконечников подбирают такой, чтобы вырабатываемый генератором ток был наиболее близок к синусоидальному. На сердечники полюсов садят катушки возбуждения, питаемые постоянным током, который подводится с помощью щеток к контактным кольцам, расположенным на валу генератора.

Электромеханический индукционный генератор

Магнитное поле в электромеханическом генераторе создается с помощью постоянного или электромагнита, переменная электродвижущая сила индуцируется в обмотке. В промышленных генераторах поле создается вращающимся магнитом, обмотки остаются неподвижными.

Генератор индукционного тока

Генераторы индукционного тока имеют широкую область применения: чаще всего их используют в местах, в которых требуется непрерывная подача электроэнергии, таких как медицинские учреждения, морозильные склады и т.п. также такие генераторы могут быть востребованы на строительных площадках и для электрификации загородных домов.

Генератор индукционного нагрева

Индукционный нагрев — это нагревание электропроводящих материалов электрическими токами, которые индуцируются переменным магнитным полем. Генераторы индукционного нагрева применяются для:

• нагрева заготовок из магнитных материалов, в том числе для гибки и термообработки деталей,
• термической обработки мелких и хрупких деталей,
• поверхностной закалки изделий,
• плавки, сварки и пайки металлов,
• обеззараживания медицинского инструмента.

Особенности электромагнитного генератора

• Постоянный магнит не может быть признан в качестве неисчерпаемого источника энергии, поскольку это прямо противоречит закону сохранения энергии. Хотя магнитное поле и не уменьшается в процессе совершения работы.
• Постоянные магниты с достаточно сильными полями появились совсем недавно, точно так же, как и метод, при помощи которого концентрируется магнитный поток. Без этой концентрации, ранее невозможно было создать компактную электростанцию, что являлось совершенно непрактичным.
• Ранее считалось, что ферромагнетики не могут обладать свойствами магнита, из-за хаотичного расположения в них магнитных зарядов. Однако, это мнение было ошибочным.

Выяснилось, что магниты из редкоземельных материалов также обладают энергией и способностью притягивать железные предметы. Тем не менее, сама по себе магнитная энергия не может работать, для этого она должна быть преобразована в механическую энергию. Это вполне возможно, если создать электромагнитный генератор, который за счет мощности постоянных магнитов будет иметь высокий КПД, превышающий 100%.

На первый взгляд, это противоречит всем законам физики. Однако, это касается ситуации, когда отсутствует внешний источник энергии. В генераторе же в качестве внешнего источника энергии применяется постоянный магнит.