Основное отличие заключается в том, что напряжение не может быть настроено на фиксированную скорость. Асинхронные генераторы сильно зависят от приводных двигателей. Любая потеря стабильности приводит к падению напряжения и частоты.
Принцип работы и устройство синхронного генератора переменного тока
Электричество — это единственная форма энергии, которую можно легко передавать на большие расстояния, а затем преобразовывать в механическое, тепловое или световое излучение. Сама электроэнергия также может быть получена различными способами: химическим, термическим, механическим, фотоэлектрическим и другими. Однако механический способ, основанный на использовании генераторов, оказался наиболее эффективным. Среди этих источников электроэнергии преобладает современный генератор.
Почти вся электроэнергия, потребляемая в частных домах и промышленности, вырабатывается такими генераторами. Стоит подробнее рассмотреть устройство и принцип работы этих удивительных машин.
Устройство
Современные генераторы, по сути, состоят из двух частей: вращающегося ротора и неподвижного статора. Постоянные магниты или обмотки возбуждения расположены на валу ротора. Магниты зубчатые и имеют противоположные полюса.
Генераторы переменного тока без щеток.
Катушки статора наматываются таким образом, чтобы их сердечники совпадали с выступами магнитных полюсов ротора или сердечниками катушек ротора. Число зубцов на магните обычно не превышает 6. В такой конструкции генерируемый ток берется непосредственно из обмоток статора. Другими словами, статор действует как якорь.
В принципе, постоянные магниты могут быть установлены на статоре, а рабочие обмотки, в которых индуцируется ЭЭД, могут быть установлены на роторе. Это не влияет на работу генератора, но требует наличия втулок и очистителей для снятия напряжения с обмоток ротора, что обычно нецелесообразно.
Принципиальная схема бесщеточного генератора без обмоток возбуждения показана на рисунке 1.
Пояснение:
- схема устройства;
- схема расположения магнитных полюсов на якоре. Здесь буквами NS обозначено коаксиальный магнит с полюсами, а литерой R – стальной магнитопровод ротора в виде когтеобразных наконечников.
- модель генератора в разрезе. Выводы фазных обмоток статора соединены «звездой».
Современные машины с катушками.
Обратите внимание, что в генераторах малой мощности в качестве роторов используются постоянные магниты. В электрических машинах большой мощности всегда используются индукционные обмотки с независимым возбуждением. Независимое возбуждение представляет собой маломощный генератор постоянного тока, установленный на валу синхронной машины.
Существуют современные генераторы малой и средней мощности с саморасширяющимися обмотками. Для включения катушки выпрямленный ток фазных обмоток проходит через щетки к втулкам на валу статора. Конструкция такого генератора показана на рисунке 2.
Обратите внимание на наличие щеток, которые питаются от независимого источника.
Синхронные генераторы различают в зависимости от количества фаз:
- однофазные;
- двухфазные;
- трёхфазные.
В зависимости от конструкции ротора различают генераторы с явными полюсами и генераторы со скрытыми полюсами. В роторе со скрытыми полюсами отсутствуют выступы, а витки проводов ротора скрыты в пазах статора.
Трехфазные генераторы различают в зависимости от способа соединения фазных обмоток:
- соединённые по шестипроводной системе Тесла (не нашли практического применения);
- «звезда»;
- «треугольник»;
- сочетание шести обмоток, соединённых в виде одной «звезды» и «треугольника». Это соединение ещё называют «Славянка».
Наиболее распространенной схемой является схема «звезда» с нейтральным проводником.
Принцип работы
Рассмотрим принцип генерации тока на примере контурной рамки, расположенной между магнитными полюсами. (Рис. 3)
Если привести рамку во вращение (в направлении стрелок), то она пересечет магнитные силовые линии. Согласно закону электромагнитной индукции, при подключении нагрузки к щеткам в рамке индуцируется электрический ток. Его направление можно определить с помощью правила Бюравера. На схеме направление тока показано черными стрелками.
Обратите внимание, что в секциях рамы ab и cd ток течет в противоположных направлениях. Эти направления меняются по мере того, как секции рамки перемещаются от одного полюса магнита к другому. Если каждый провод рамки подключить к отдельному кольцу (на рисунке оно подключено к коллектору!), то на выходе мы получим переменный ток.
Величина тока пропорциональна скорости вращения ротора. Кроме того, переменный ток характеризуется еще одним параметром — частотой. Это значение напрямую зависит от скорости вращения вала.
Частота тока в электросетях строго соблюдается. В России и некоторых других странах она составляет 50 Гц, то есть 50 колебаний в секунду.
Рассчитать это значение относительно просто, так как один оборот рамки (или двухполюсного магнита) приводит к изменению направления тока. Если вал синхронного генератора совершает один оборот в секунду, частота переменного тока составляет 1 Гц. Для достижения частоты 50 Гц требуется 50 оборотов статора в секунду или 3000 оборотов в минуту.
При увеличении числа полюсов заданная частота поддерживается за счет уменьшения частоты вращения статора l. (обратная зависимость). Таким образом, при 4-полюсном статоре (удвоенное число полюсов) для поддержания частоты 50 Гц скорость вращения вала должна быть уменьшена вдвое. Для 6-полюсного статора скорость вращения вала должна быть вдвое меньше, чтобы достичь 1000 об/мин.
Обратите внимание, что в некоторых странах, таких как США, Япония и т.д., применяются другие стандарты — например, в бортовой сети современных самолетов используется переменный ток частотой 60 Гц и 400 Гц.
Устройство
Назначение электрогенератора — преобразование механической энергии в электрическую. Он состоит из 2 основных элементов — подвижного ротора и неподвижного статора.
- Ротор закрепляется на подшипниках. С одной стороны к нему присоединяется привод от внешнего источника движения, а с другой – крыльчатка для охлаждения.
- Статор – неподвижный элемент. На нем расположены лапы крепления установки, охлаждающие ребра и выходные клеммы. А еще табличка с техническими характеристиками.
Другие компоненты.
- Скользящий контакт ротора. Необходим для питания его обмоток или отвода генерируемого электричества. В большинстве моделей его нет.
- Средства индикации и контроля.
- Боковые крышки.
- Масленки для подачи смазки к подшипникам и другие не менее важные элементы.
Теперь нам необходимо понять метод выработки электроэнергии.
Принцип работы
Принцип работы трехфазных генераторов основан на законе электромагнитной индукции. Он гласит, что на концах металлической пластины, находящейся во вращающемся магнитном поле, индуцируется электродвижущая сила (ЭДС). Вращаться может как сама рамка, так и магниты.
Именно так были построены демонстрационные модели. В настоящем генераторе вместо рамки используется катушка из тонкой медной проволоки с изолированными жилами. Это повышает эффективность системы.
Так работает однофазный генератор. Для выработки трехфазного тока необходимо 3 обмотки. Они расположены по кругу, и угол между ними (называемый фазовым углом) составляет 120 градусов.
В современных моделях трехфазных генераторов магнит является ротором. Магнит может быть как постоянным, так и электрическим. В последних для привода ротора используется скользящий контакт с графитовыми щетками. Для запуска агрегата требуется отдельный источник питания.
Силовая обмотка расположена на статоре. Это позволяет избежать протекания больших токов через скользящий контакт и повышает надежность устройства.
Преимущества и недостатки
Трехфазные генераторы переменного тока имеют определенные преимущества.
- Более высокий коэффициент полезного действия по сравнению с однофазными. Это значит, что для получения одинаковой мощности тока требуется меньше топлива.
- С одного генератора возможно получение 2-х значений напряжения, отличающихся в 1,75 раза. Обычно это 380 В и 220 В. Это расширяет сферу его применения, такой генератор можно использовать и в частном доме, и в промышленности.
- При одинаковой мощности они обладают меньшими габаритными размерами и массой, чем однофазные.
- Для передачи 3-х фазного тока нужно 3 или 4 провода. Для работы 3-х однофазных генераторов проводов нужно минимум 6.
- Более высокая надежность установки.
- Для работы большинства промышленного оборудования нужен именно 3-х фазный ток. Применение такого генератора решает эту задачу.
- Для получения однофазного напряжения можно подключить только 1 обмотку. Но это не лучшее решение с точки зрения экономичности.
- Из переменного тока с помощью выпрямителя можно сделать постоянный.
Однако они также имеют и недостатки.
- Относительная сложность подключения с юридической точки зрения. Для легального подведения 3-х фазного напряжения требуется специальное разрешение от энергокомпании. А получить его весьма хлопотно.
- Необходимо усиление средств безопасности. Нужно больше устройств защиты, УЗО необходимо ставить на каждую фазу.
- Работающий генератор не рекомендуется оставлять без присмотра. Нужно следить за показаниями контрольно-измерительной аппаратуры.
- Шум и вибрация при работе устройства.
ЭДС синхронного генератора
Как было показано выше, величина наведенной ЭДС в обмотке статора количественно зависит от числа витков обмотки и скорости изменения магнитного потока:
Возвращаясь к действительным значениям, выражение ЭДС можно записать в следующем виде:
n — частота вращения ротора генератора, F — магнитный поток, c — постоянный коэффициент.
При подключении нагрузки напряжение на клеммах генератора изменяется в разной степени. Например, увеличение активной нагрузки не оказывает заметного влияния на напряжение. Однако индуктивная и емкостная нагрузки влияют на выходное напряжение генератора. Увеличение нагрузки размагничивает генератор и понижает напряжение, а увеличение нагрузки намагничивает генератор и повышает напряжение. Это явление называется реакцией якоря.
Чтобы обеспечить стабильность выходного напряжения генератора, необходимо регулировать магнитный поток. Если он уменьшается, машина должна быть намагничена, если увеличивается — размагничена. Это делается путем регулировки тока, подаваемого на обмотку возбуждения ротора.
Существует 2 способа достижения желаемых параметров частоты:
Регулирование частоты
Существует 2 способа достижения желаемых параметров частоты:
- Сконструировать генератор с определённым количеством полюсов электромагнитов.
- Обеспечить соответствующую расчётную частоту вращения вала.
Например, для тихоходных гидротурбин, вращающихся со скоростью 150 об/мин, число полюсов современных генераторов увеличивается до 40 для регулирования частоты. Для дизельных электростанций, вращающихся со скоростью 750 об/мин, оптимальное число полюсов — 8.
- тепловозах с выпрямлением переменного тока полупроводниковыми элементами и других транспортных системах;
- мощных гидро-, тепловых электростанциях, атомных станциях, передвижных электростанциях;
- гибридных автомобилях с целью совмещения тяги ДВС и мощности тяговых электродвигателей.
Принцип работы синхронного электрогенератора
Наиболее важные этапы:
Трехфазный синхронный генератор может работать как генератор или как двигатель. В первом случае к ДГ подводится механическая энергия и извлекается электрическая. Во втором случае на входе — электрическая энергия, а на выходе — механическая.
Разновидности синхронных генераторов
Конкретное применение определяет, какой тип синхронного генератора следует приобрести.
Производители предлагают электрические генераторы:
Области применения синхронных трехфазных генераторов переменного тока
Важной особенностью синхронного генератора является его способность синхронизироваться с другими подобными электрическими машинами. Эта особенность позволяет использовать эти машины в промышленном производстве электроэнергии и подключать их к аварийным генераторам при увеличении нагрузки в пиковые периоды.
Трехфазные генераторы используются в:
- тепловозах с выпрямлением переменного тока полупроводниковыми элементами и других транспортных системах;
- мощных гидро-, тепловых электростанциях, атомных станциях, передвижных электростанциях;
- гибридных автомобилях с целью совмещения тяги ДВС и мощности тяговых электродвигателей.
Современные трехфазные генераторы могут использоваться в качестве электродвигателей с выходной мощностью более 50 кВт. В этом режиме работы ротор подключается к источнику постоянного тока, а статор — к трехфазному кабелю.
В каких случаях необходимо купить и использовать синхронный генератор?
В следующих случаях выбирается синхронный генератор:
- Если предъявляются высокие требования к постоянству параметров напряжения и частоты тока.
- При высокой вероятности перегрузок в переходном режиме потребителей с реактивной мощностью.
- При вероятности перегрузок в рабочем режиме, когда к генератору подключаются потребители как с активной, так и с реактивной мощностью.
Преимущества использования синхронных генераторов
Преимущества трехфазных синхронных генераторов :
Современные электрические генераторы производятся в соответствии с мировыми стандартами качества и безопасности.
Принцип работы машины в режиме синхронного генератора:
Функциональные отличия агрегата
Чтобы обеспечить бесперебойную работу агрегата в течение многих лет, необходимо с самого начала ознакомиться с принципом работы современного генератора. Для оценки работоспособности агрегата используются те же характеристики, что и для агрегатов постоянного тока. Основные различия касаются только определенных условий эксплуатации.
К наиболее важным характеристикам синхронной машины относятся следующие факты:
- 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.
Комплектующие элементы
Принцип работы и конструкция синхронного генератора отличаются тем, что этот агрегат может использоваться и как двигатель, и как генератор. Его режим работы обеспечивает быстрый переход от программы двигателя к программе генератора — это в значительной степени зависит от тормозной или вращательной мощности агрегата. Такой принцип работы высоко ценится профессионалами. Следует отметить, что в программе двигателя электрическая энергия входит в систему, а механическая выходит.
Структура современного генератора включает в себя следующие элементы:
- 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.
Трехфазный генератор является частью цепи переменного тока с нелинейным сопротивлением.
Принцип работы
Неправильно настроенные агрегаты не могут долго работать бесперебойно, возможны преждевременные отказы из-за всевозможных перегрузок, плохого возбуждения сети, а также частых асинхронных изменений режима работы. Последний фактор чаще всего вызывается отклонениями в сети: переменные нагрузки, короткие замыкания, неравномерная зарядка фаз.
Следует отметить, что стабильная работа генератора также зависит от качества подключенной сети, в которой любое нарушение в работе отдельных нагрузок вызывает асимметрию и искажение сигнала. В такой ситуации возможен перегрев как самого агрегата, так и его обмотки. Силовые преобразователи и выпрямители подвержены синусоидальным искажениям.
Для нормального функционирования устройства необходимо обеспечить его надлежащее охлаждение. Когда расход воды достигает 75% от номинального значения, включается сигнал тревоги. Если расход охлаждающей жидкости ниже 50 %, система разрядится в течение двух минут. Этот тип генератора работает по принципу электромагнитной индукции. Катушка якоря находится в разомкнутом положении только на холостом ходу, поэтому необходимое магнитное поле создается исключительно обмоткой ротора. Когда этот элемент вращается проводным двигателем, он имеет постоянную частоту.
Начальное магнитное поле создается обмоткой возбуждения, а электрическая движущая сила поступает в катушку якоря. Как только якорь начинает двигаться, вращаясь с определенной скоростью, весь поток возбуждения проходит через проводники катушки статора. Это приводит к переменной индикации ЭЭД.
Схемы подключения
Существуют две основные схемы подключения внутренней катушки. Каждая из них имеет свои характеристики.
- 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.
- 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 требует одинакового сечения проводников. Если фаза сильно нагружена, ее провод может перегореть, в результате чего образуется несбалансированная цепь, где ток течет к нейтрали.
Инвертор
Инверторный генератор — это современное и универсальное устройство, которое можно использовать как в быту, так и в промышленности. Устройство состоит из следующих частей:
- ДВС на бензиновом или дизельном топливе.
- Простого генератора, вырабатывающего переменный ток.
- Инверторного преобразователя.
- Специальных разъемов для подключения нагрузки.
- Управляющей части.
Особенностью этих устройств является постоянное выходное напряжение и возможность подключения к переменному и постоянному току через отдельные розетки. Давайте рассмотрим, как работает генератор этого типа.
- ДВС приводит в движение вал синхронного генератора.
- Выработанное переменное напряжение поступает на выпрямитель, в который включен трансформатор, диодный мост и радиатор для охлаждения.
- После выпрямителя, представляющего собой блок преобразователь, ток приобретает напряжение пульсирующего типа частотой до 20000 Гц.
- 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).
- Постоянный ток передается на инвертор, который преобразует его в переменный ток с рабочей частотой 50 Гц.
На выходе из розетки поступает ток с частотой 50 Гц и напряжением 220 вольт. Модели генераторов с инвертором имеют значительное преимущество. Оно заключается в следующих конструктивных особенностях:
- Выходной переменный ток с идеальной синусоидой. Это обеспечивает бесперебойную работу чувствительного оборудования.
- Фильтр устройства собран на высоковольтных конденсаторах, способных пропускать через себя напряжение до 400 вольт.
- Синусоида формируется за счет транзисторного ключа. Ключ многократно преобразует синусоиду за счет парной работы транзисторов.
- Прибор способен работать в режиме перегрузки всего несколько секунд. При увеличении нагрузки, срабатывает защита и отключает генератор без остановки ДВС.
В настоящее время существует 3 основных типа инверторных генераторов:
- Прямоугольные. Используются для питания 1–3 электрических приборов малой мощности.
- Трапецеидальные. Более мощные. Применение — ими можно питать бытовые приборы, но в цепи не должно быть устройств с высоким сопротивлением (чайники, плиты, печи).
- Синусоидальные. Самые мощные устройства со стабильным напряжением. Можно использовать для питания сложной и чувствительной техники, бытовых приборов.
Инверторные генераторы компактны, просты в установке и использовании. Они компактны, просты в установке и использовании и могут быть подключены к бытовой сети через обычный сетевой выключатель, при этом предыдущее подключение осуществляется к электросети.
Заключение
В этой статье содержится подробное описание всех типов генераторов переменного тока. Это оборудование работает по простому принципу выработки электроэнергии путем создания электромагнитного напряжения. Генераторы просты по конструкции и способны бесперебойно снабжать электроэнергией как бытовые, так и промышленные сети.
