Основное различие между типами генераторов заключается в том, что напряжение в асинхронных генераторах не может быть настроено на фиксированное значение, а они подвержены значительному влиянию приводных двигателей. Каждое изменение стабильности их работы может привести к падению как напряжения, так и частоты.
Принцип работы и устройство синхронного генератора переменного тока
Электричество представляет собой единственно подходящую форму энергии, которую легко передавать на огромные расстояния. Оно может быть преобразовано в такие виды энергетических форм, как механическая работа, тепло или световое излучение. Электрический ток может быть сгенерирован различными способами: химическим, термическим, механическим, фотоэлектрическим и другими. Однако механический метод, основанный на использовании генераторов, оказался наиболее эффективным в практике. В числе таких источников электроэнергии наиболее распространены современные генераторы.
Сегодня почти вся электрическая энергия, которая потребляется как в частных домах, так и в промышленности, вырабатывается именно такими генераторами. Углубим наше понимание, изучив устройство и принцип работы этих замечательных машин более подробно.
Устройство
Современные генераторы по своей структуре состоят из двух основных элементов: вращающегося ротора и неподвижного статора. На валу ротора располагаются либо постоянные магниты, либо обмотки возбуждения. Эти магниты, как правило, имеют зубчатую форму и противоположные полюса.
Существуют генераторы переменного тока, которые не используют щетки для передачи электричества.
Катушки статора наматываются так, чтобы их сердечники совпадали с выступами магнитных полюсов ротора или сердечниками катушек. Число зубцов на магните, как правило, не превышает шести. В такой конструкции ток генерируется прямо в обмотках статора, что делает его аналогом якоря.
Существуют случаи, когда постоянные магниты устанавливаются на статоре, в то время как рабочие обмотки, где индуцируется электрическая энергия, располагаются на роторе. Это изменение не затрагивает принципиальную работу генератора, хотя оно требует установки втулок и очистителей для снятия напряжения с обмоток ротора, что в большинстве случаев нецелесообразно.
Схема бесщеточного генератора без обмоток возбуждения представлена на 
.
В пояснении к схеме можно выделить следующие аспекты:
- схема устройства;
- схема расположения магнитных полюсов на якоре. Здесь буквы N и S обозначают коаксиальный магнит, а буква R – это стальной магнитопровод ротора с когтеобразными наконечниками;
- модель генератора в разрезе. Выводы фазных обмоток статора соединены по схеме «звезда».
Современные генераторы с катушками выделяются своей особенностью.
Обратите внимание: в маломощных генераторах роторы часто изготавливаются из постоянных магнитов. В то время как в электромашинах большой мощности используется индукционная обмотка с независимым возбуждением. Это независимое возбуждение представляет собой маломощный генератор постоянного тока, который устанавливается на валу синхронной машины.
Существуют генераторы малой и средней мощности, которые имеют саморасширяющиеся обмотки. Для включения катушки выпрямленный ток от фазных обмоток проходит через щетки и подводится к втулкам на валу статора. Конструкция такого генератора показана на 
.
Следует обратить внимание на наличие щеток, которые получают питание от независимого источника.
Синхронные генераторы различаются по количеству фаз:
- однофазные;
- двухфазные;
- трехфазные.
Кроме того, в зависимости от конструкции ротора выделяют генераторы с явными и скрытыми полюсами. В роторах со скрытыми полюсами отсутствуют выступы, а витки проводов роторной части находятся в пазах статора.
Трехфазные генераторы могут отличаться по схемам соединения фазных обмоток:
- соединённые по шестипроводной системе Тесла (не получили практически широкого применения);
- «звезда»;
- «треугольник»;
- сочетание шести обмоток, соединённых как в виде одной «звезды», так и «треугольника», что зачастую называется схемой «Славянка».
Наиболее распространена схема «звезда» с нейтральным проводником.
Принцип работы
Для лучшего понимания принципа генерации электричества рассмотрим пример с контурной рамкой, размещенной между магнитными полюсами. (См. рис. 3)
Если рамка начать вращаться (в направлении, указанном стрелками), она пересечет магнитные силовые линии. По закону электромагнитной индукции при подключении нагрузки к щеткам в рамке будет индуцироваться электрический ток. Направление этого тока можно определить, например, с помощью правила Бюравера. На схеме направление тока указано черными стрелками.
Важно отметить, что в секциях рамки ab и cd ток течет в противоположных направлениях. Эти направления изменяются в зависимости от того, как секции рамки переходят от одного полюса магнита к другому. Если каждый провод рамки подключить к отдельному кольцу (как показано на рисунке, подключенном к коллектору), то на выходе получится переменный ток.
Величина тока прямо пропорциональна скорости вращения ротора. У переменного тока есть еще один важный параметр — частота, которая непосредственно зависит от скорости вращения вала.
Частота тока в электросетях строго регламентирована. В России и некоторых других странах она составляет 50 Гц, что эквивалентно 50 колебаниям в секунду.
Рассчитать это значение довольно просто, так как один полный оборот рамки (или двухполюсного магнита) вызывает изменение направления тока. Таким образом, если вал синхронного генератора делает один оборот в секунду, частота переменного тока составит 1 Гц. Чтобы достичь частоты в 50 Гц, необходимо, чтобы статор провел 50 оборотов в секунду, то есть 3000 оборотов в минуту.
При увеличении количества полюсов заданная частота поддерживается путём уменьшения частоты вращения статора (в обратной зависимости). Следовательно, для 4-полюсного статора (удвоенное количество полюсов) для поддержания частоты в 50 Гц скорость вращения валу должна составлять половину. Для 6-полюсного статора скорость должна снижаться вдвое, чтобы достичь 1000 об/мин.
Следует также учесть, что в некоторых странах, таких как США и Япония, применяются другие стандарты. К примеру, в бортовых электросетях современных самолетов может использоваться переменный ток частотой 60 Гц и 400 Гц.
Устройство
Основная задача электрогенератора заключается в преобразовании механической энергии в электрическую. Он состоит из двух главных элементов: подвижного ротора и неподвижного статора.
- Ротор установлен на подшипниках. С одной стороны он соединен с приводом от внешнего источника энергии, а с другой стороны – с крыльчаткой для обеспечения охлаждения.
- Статор остается неподвижным. На нем расположены крепежные лапы установки, охлаждающие ребра и выходные клеммы. Также следует упомянуть табличку с техническими характеристиками.
Дополнительные компоненты устройства включают:
- Скользящий контакт ротора, который необходим для питания его обмоток или для отвода генерируемого электричества. Во многих моделях данный элемент отсутствует.
- Средства индикации и контроля работы генератора.
- Боковые крышки для защиты внутренних компонентов устройства.
- Масленки для подачи смазки к подшипникам, а также ряд других, не менее важных деталей.
Теперь нам предстоит разобраться с методом, с помощью которого происходит выработка электроэнергии.
Принцип работы
Принцип работы трехфазных генераторов основывается на законе электромагнитной индукции, который гласит: на концах металлической пластины, размещенной в вращающемся магнитном поле, возникает электродвижущая сила (ЭДС). Вращение может быть как самого ротора с магнитами, так и самой рамки.
В демонстрационных моделях использовалась именно эта концепция. В реальном генераторе вместо рамки применяется катушка, изготовленная из тонкой медной проволоки с изолированными жилами. Это значительно повышает эффективность всей системы.
Таким образом, такое устройство работает как однофазный генератор. Чтобы сгенерировать трехфазный ток, необходимо использовать 3 обмотки, которые располагаются по кругу, а угол между ними (обозначаемый как фазовый угол) составляет 120 градусов.
В современных образцах трехфазных генераторов ротором служит магнит. Он может быть как постоянным, так и электрическим. В последних схемах для вращения ротора используется скользящий контакт с графитовыми щетками, для старта агрегата необходим отдельный источник питания.
Силовая обмотка обычно располагается на статоре. Это решение позволяет избежать протекания больших токов через скользящий контакт, что, в свою очередь, увеличивает надежность устройства.
Преимущества и недостатки
Трехфазные генераторы переменного тока обладают рядом уникальных преимуществ:
- Более высокий коэффициент полезного действия по сравнению с однофазными устройствами. Это означает, что для выработки одинаковой мощности тока требуется меньше топлива.
- С одного генератора возможно получение двух различных напряжений, которые отличаются в 1,75 раз. Чаще всего это 380 В и 220 В, что расширяет область применения — такие генераторы можно использовать как в частных домах, так и в промышленности.
- При равной мощности трехфазные генераторы занимают меньше места и весят меньше, чем однофазные.
- Для передачи трехфазного тока требуется всего 3 или 4 провода, тогда как для работы трех однофазных генераторов потребуется, как минимум, 6 проводников.
- Повышенная надежность установок, работающих на трехфазном токе.
- Многие промышленные машины требуют именно трехфазный ток для корректной работы, что делает использование таких генераторов вполне обоснованным.
- Чтобы получить однофазное напряжение, необходимо подключить только одну обмотку, но это не оптимальное решение с точки зрения эффективности и экономичности.
- Переменный ток можно преобразовать в постоянный с помощью выпрямителя.
Однако, несмотря на эти трудности, существуют и некоторые недостатки:
- Сложность подключения с точки зрения получения разрешений. Для легального присоединения трехфазного напряжения необходимо получить специальное разрешение от энергокомпании, что может затянуться и стать достаточно сложным процессом.
- Необходимость внедрения большего количества средств безопасности. Это включает в себя установку устройств защиты, для каждой из трех фаз УЗО.
- Генератор, находясь в работе, не рекомендуется оставлять без присмотра. Необходимо следить за показаниями контрольно-измерительной аппаратуры, чтобы избежать аварийных ситуаций.
- При работе генератора могут возникать шум и вибрации, что также следует учитывать.
ЭДС синхронного генератора
Как уже было упомянуто, величина ЭДС, возникающей в обмотке статора, количественно зависит от числа витков обмотки и скорости изменения магнитного потока:
Если вернуться к действительным значениям, формула ЭДС может быть записана в следующем виде:
где n — частота вращения ротора генератора, F — магнитный поток, а c — это постоянный коэффициент.
Когда нагрузка подключена, напряжение на выходных клеммах генератора может варьироваться в разных пределах. К примеру, увеличение активной нагрузки не оказывает заметного влияния на напряжение. Напротив, индуктивные и ёмкостные нагрузки непосредственно влияют на выходное напряжение генератора. Увеличение нагрузки может размагничивать генератор и понижать его выходное напряжение, тогда как при уменьшении нагрузки его намагничивание может привести к повышению выходного напряжения. Это явление называется реакцией якоря.
Чтобы гарантировать стабильность выходного напряжения генератора, необходимо следить за регулировкой магнитного потока. Если он снижается, машина должна быть намагничена, а если увеличивается — размагничена. Это достигается через регулировку тока, подаваемого на обмотку возбуждения ротора.
Существует два метода достижения требуемых параметров частоты:
Регулирование частоты
Для достижения установленных требуемых параметров частоты можно применить два метода:
- Создать генератор с фиксированным количеством полюсов электромагнитов.
- Обеспечить соответствующее расчетное значение частоты вращения вала.
Например, для тихоходных гидротурбин, работающих на скорости 150 об/мин, число полюсов современных генераторов повышается до 40 для обеспечения нужной частоты. Для дизельных электростанций, работающих на 750 об/мин, оптимально используют 8 полюсов.
- в тепловозах, где происходит выпрямление переменного тока с помощью полупроводниковых элементов и других транспортных систем;
- на мощных гидро-, тепловых электростанциях, а также на атомных станциях и передвижных электростанциях;
- в гибридных автомобилях, где необходимо совместить динамику ДВС и мощность электродвигателей.
Принцип работы синхронного электрогенератора
Ключевые этапы работы:
Трехфазный синхронный генератор может функционировать как в режиме генератора, так и в режиме двигателя. В первом варианте к генератору подводят механическую энергию, извлекая электрическую. Во втором — на входе поступает электрическая энергия, а на выходе получается механическая.
Разновидности синхронных генераторов
Тип генератора, который следует выбрать, определяется конкретным применением.
Производители предлагают несколько категорий электрических генераторов:
Области применения синхронных трехфазных генераторов переменного тока
Одной из ключевых особенностей синхронного генератора является способность синхронизироваться с другими аналогичными устройствами. Эта способность делает их идеальными для использования в промышленности, где они могут быть подключены к резервным генераторам для поддержки нагрузки в пиковые моменты.
Трехфазные генераторы находят широкое применение в следующих областях:
- в тепловозах, где используется выпрямление переменного тока с применением полупроводниковых компонентов и в других транспортных системах;
- в мощных гидро- и тепловых электростанциях, а также на атомных станциях и передвижных электростанциях;
- в гибридных автомобилях с целью объединения работы ДВС и мощности тяговых электродвигателей.
Современные трехфазные генераторы могут выполнять функции электродвигателей с выходной мощностью свыше 50 кВт. В данном режиме работы ротор подключается к источнику постоянного тока, а статор — к трехфазному кабелю.
В каких случаях необходимо купить и использовать синхронный генератор?
Синхронный генератор целесообразно выбирать в следующих ситуациях:
- Когда существуют высокие требования к стабильности параметров напряжения и частоты электрического тока.
- При значительном количестве вероятных перегрузок в переходном режиме потребителей с реактивной мощностью.
- При высоком риске перегрузок в рабочем режиме, когда к генератору подключаются устройства как с активной, так и с реактивной нагрузкой.
Преимущества использования синхронных генераторов
Трехфазные синхронные генераторы имеют значительные преимущества:
Современные электрические генераторы производятся в соответствии с международными стандартами качества и безопасности.
Принцип работы асинхронного генератора сохраняет все основные характеристики работы в режиме синхронного генератора.
Функциональные отличия агрегата
Именно с целью обеспечения бесперебойной работы агрегата в течение длительного времени нужно в самом начале ознакомиться с принципами работы современного генератора. Для оценки работоспособности агрегата применяются те же характеристики, что и для генераторов постоянного тока, однако некоторые отличия существуют.
Основные характеристики синхронной машины включают следующее:
- Снижение значений напряжения наблюдается на активных и индуктивных сопротивлениях обмоток устройства, и этот показатель может расти по мере увеличения нагрузки на сам агрегат.
- В угол холостого хода ЭДС генератора во многом зависит от токов возбуждения, что именно и указывает на намагничивание специальных цепей машины.
- Регулировочные параметры для трехфазного генератора показывают, что токи возбуждения зависят от нагрузки. В процессе эксплуатации синхронного генератора важно постоянно поддерживать оптимальное напряжение на его зажимах. Это вполне достижимо, если корректировать ЭДС агрегата. Специалист может адаптировать ток возбуждения в автоматическом режиме. При активной емкостной нагрузке приходится понижать ток возбуждения для поддержания постоянного напряжения.
Комплектующие элементы
Строение и принципы работы синхронного генератора заключаются в том, что данный агрегат можно применять как в режиме генератора, так и в качестве двигателя. Его режим работы обеспечивает быструю адаптацию между программами генератора и двигателя, основываясь на тормозном или вращательном моменте устройства, что высоко ценится специалистами. Важно отметить, что в роли двигателя электрическая энергия поступает в систему, а механическая — выводится.
Структура современного генератора включает такие элементы:
- Высококачественная обмотка устройства, обеспечивающая эффективную работу.
- Ротор или индуктор (вращающего или подвижного типа). В комплекте с ним обязательно идет обмотка возбуждения.
- Различные типы мощных кабелей, способных выдерживать высокие нагрузки.
- Удобный переключатель статорной катушки, позволяющий легко управлять системой.
- Специальный выпрямитель, преобразующий выходной ток.
- Высококачественная роторная катушка для стабильной работы.
- Специальный источник постоянного тока, работа которого может быть контролируемой самим пользователем.
Трехфазный генератор является частью цепи переменного тока с нелинейным сопротивлением.
Принцип работы
Неверно настроенные агрегаты не могут обеспечивать длительную бесперебойную работу, и существует риск преждевременных отказов, вызванных перегрузками, недостаточной индукцией в сети, а также частыми асинхронными изменениями режимов работы. Характерным фактором являются отклонения в сетевом напряжении, такие как переменные нагрузки, короткие замыкания и неравномерная зарядка фаз.
Важно отметить, что стабильность работы генератора также зависит от качества подключенной сети, так как любое нарушение в работе отдельных нагрузок может привести к асимметрии и искажению сигнала. В таких ситуациях вероятны перегрев генератора и его обмоток. Силовые преобразователи и выпрямители могут подвергаться синусоидальным искажениям.
Для нормального функционирования устройства необходимо обеспечить его адекватное охлаждение. Если расход воды упадет до 75% от номинального значения, будет активирована тревожная сигнализация. При снижении расхода охлаждающей жидкости до 50% механизм разрядится в течение двух минут. Данный генератор работает на основе принципа электромагнитной индукции, при этом катушка якоря находится в разомкнутом состоянии только во время холостого хода. Необходимое магнитное поле создается исключительно обмоткой ротора. Когда этот элемент вращается под воздействием движущего двигателя, он уже создает постоянную частоту.
Начальное магнитное поле образуется обмоткой возбуждения, а электрическая энергия поступает в катушку якоря. Как только якорь начинает движение, вращаясь с заданной скоростью, весь поток возбуждения проходит через проводники катушки статора, что приводит в свою очередь к индукции переменной ЭЭД.
Схемы подключения
Существует два принципиальных способа подключения внутренней катушки. Каждая из них имеет свои уникальные свойства.
- Схема «Звезда». Данное соединение подразумевает соединение трех выходов обмоток в одной точке, называемой «нуль». Проводники, подключенные к каждой начальной точке обмотки, являются линейными и передают ток непосредственно потребителям. Четвертый проводник считается нейтральным. Данная схема значительно увеличивает устойчивость сети к смещениям фаз, возникающим при появлении несогласованных нагрузок.
- Схема «Треугольник». Такое соединение отличается своей последовательной природой: первая обмотка соединяется с началом второй, конец второй обмотки соединяется с началом третьей, а последний провод соединяет конец третьей обмотки с началом первой. От каждой точки соединения отходят линейные провода. Такая схема создает баланс между фазным и линейным напряжениями, однако она высоко чувствительна к разностям в нагрузках на каждой фазе. При таких условиях необходимо составление векторной диаграммы и пересчет всех параметров.
Каждая схема подключения требует однородного сечения проводников. Если одна из фаз сильно нагружена, ее провод может перегореть, что приведет к несбалансированной цепи, где ток будет течь к нейтрали.
Инвертор
Инверторный генератор является современным и универсальным устройством, которое подходит как для бытового использования, так и для промышленных нужд. Конструкция устройства включает:
- Двигатель внутреннего сгорания (ДВС), работающий как на бензине, так и на дизельном топливе;
- Обычный генератор, вырабатывающий переменный ток;
- Инверторный преобразователь;
- Специальные разъемы для подключения нагрузки;
- Управляющую часть.
Особенностью этих устройств является их способность обеспечивать постоянное выходное напряжение и возможность подключения как к переменному, так и к постоянному току через отдельные розетки. Давайте подробнее рассмотрим, как работает генератор этого типа:
- ДВС приводит в движение вал синхронного генератора;
- Вырабатываемое переменное напряжение поступает на выпрямитель, который включает трансформатор, диодный мост и радиатор для охлаждения;
- После выпрямителя ток принимает пульсирующий тип с частотой до 20000 Гц;
- Пульсирующий ток проходит через фильтр и конденсатор, становясь равномерным и постоянным напряжением на уровне 12–20 вольт (в зависимости от типа устройства);
- Получившийся постоянный ток передается на инвертор, который преобразует его обратно в переменный ток с рабочей частотой 50 Гц.
На выходе подается ток с частотой 50 Гц и напряжением 220 вольт. Модели генераторов с инвертором обладают существенными преимуществами, заключающимися в следующих конструктивных характеристиках:
- Выходной переменный ток формируется с идеальной синусоидой, что обеспечивает бесперебойную работу даже чувствительного оборудования;
- Фильтр устройства построен на высоковольтных конденсаторах, способных пропускать напряжение до 400 вольт;
- Синусоида формируется за счёт транзисторного ключа, который осуществляет многократное преобразование синусоиды в результате совместной работы парных транзисторов;
- Прибор способен функционировать в условиях перенагрузки в течение нескольких секунд. При возникновении повышенной нагрузки автоматически происходит отключение генератора без остановки ДВС.
На данный момент выделяются три основных типа инверторных генераторов:
- Прямоугольные, предназначенные для питания 1–3 маломощных электрических устройств;
- Трапецеидальные, которые имеют большую мощность и могут использоваться для питания бытовой техники, но не стоит подключать оборудование с высоким сопротивлением (такие как чайники либо плиты);
- Синусоидальные — это самые мощные устройства, обеспечивающие стабильное напряжение и возможность питания сложной и чувствительной электроники.
Инверторные генераторы отличаются компактностью, легкостью установки и простотой в эксплуатации, они могут быть подключены к бытовой сети через стандартный сетевой выключатель с целью улучшения электроснабжения.
Заключение
В данной статье представлен подробный обзор основных типов генераторов переменного тока. Описанное выше оборудование функционирует по простым принципам производства электроэнергии через электромагнитную индукцию. Генераторы имеют относительно простую конструкцию, и способны бесперебойно обеспечивать как бытовые, так и промышленные сети необходимой электрической энергией.
