Составные части генератора переменного тока. Применение коллекторных генераторов

Автомобильный генератор, непременно входящий в состав оборудования любого транспортного средства, можно сравнить с ролью электростанции в снабжении энергией потребностей народного хозяйства.

Он является основным (при работающем двигателе) источником электроэнергии в машине и предназначен через электрические провода, опутывающие весь автомобиль изнутри, поддерживать заданное и стабилизированное напряжение электросети автомашины. Принцип работы автомобильного генератора основан на теоретическом представлении работы классического электрического генератора, трансформирующего неэлектрические виды энергии в электрическую.

В конкретном случае автомобильного генератора выработка электрической энергии происходит посредством трансформации механического вращательного движения коленчатого вала моторного агрегата.

Общий принцип работы

Теоретические предпосылки, лежащие в основе схемы функционирования электрогенераторов, базируются на широко известном случае электромагнитной индукции, трансформирующей один вид энергии (механический) в другой (электрический). Действие этого эффекта проявляется при помещении медных проводов, уложенных в виде катушки, и помещённых в магнитное поле переменной величины.

Это способствует появлению в проводах электродвижущей силы, которая приводит в движение электроны. Это движение электрических частиц порождает в , а на оконечных контактах проводов возникает электрическое напряжение, по уровню напрямую зависящее от того, с какой скоростью изменяется магнитное поле. Выработанное таким образом переменное напряжение необходимо подавать во внешнюю сеть.

В автомобильном генераторе для создания магнитного явления используются обмотки статора, в котором под воздействием поля вращается якорь ротора. На валу якоря размещены токопроводящие обмотки, подключенные к специальным контактам в виде колец. Эти кольцевые контакты также закреплены на валу и вращаются вместе с ним. С колец с помощью токопроводящих щёток и происходит съём электрического напряжения и подача выработанной энергии электропотребителям транспортного средства.

Запуск генератора осуществляется посредством приводного ремня от фрикционного колеса коленчатого вала моторного агрегата, который для начала работы запускается от аккумуляторного источника. Для обеспечения эффективной трансформации производимой энергии диаметр шкива генератора должен заметно уступать в диаметре фрикционному колесу коленвала. Это обеспечивает более высокие обороты вала генераторного агрегата. В этих условиях он функционирует с повышением своего КПД и обеспечивает повышенные токовые характеристики.

Требования

Чтобы обеспечить безопасную работу в заданном диапазоне характеристик всего комплекса электроустройств работа автомобильного генератора должна удовлетворять высоким техническим параметрам и гарантировать выработку стабильного во времени уровня напряжения.

Основным требованием к автомобильным генераторам является стабильная выработка тока с требуемыми мощностными характеристиками. Эти параметры призваны обеспечивать:

подзарядку ;
одновременное функционирование всего задействованного электрооборудования;
стабильное напряжение электросети в широком диапазоне изменения частот вращения вала ротора и динамически подключаемых нагрузок;

Кроме вышеперечисленных параметров, генератор конструируется с учётом его работы в условиях критических нагрузок и должен обладать прочным корпусом, иметь при этом малую массу и приемлемые габаритные размеры, обладать невысокими и приемлемым уровнем производимых промышленных радиопомех.

Устройство и конструкция автомобильного генератора

Крепление

Генератор автомобиля можно легко обнаружить в моторном отсеке, подняв крышку капота. Там он закреплён болтами и специальными уголками к фронтальной части двигателя. На корпусе генератора размещены крепёжные лапы и натяжная проушина устройства.

Корпус

В корпусной коробке генератора установлены почти все блоки агрегата. Он производится с применением металлов лёгких сплавов на основе алюминия, который превосходно подходит для выполнения задачи по отводу тепла. Конструкция корпуса представляет собой соединение двух основных частей:

фронтальной крышки со стороны контактных колец;
торцевой заглушки со стороны привода;

На фронтальной крышке закреплены щётки, регулятор напряжения и выпрямительный мост. Объединение крышек в единую конструкцию корпуса происходит посредством специальных болтов.

Внутренние поверхности крышек фиксируют внешнюю поверхность статора, закрепляя его положение. Также важными конструктивными узлами корпусной конструкции являются фронтальный и тыловой подшипники, которые обеспечивают должные условия функционирования ротора и закрепляют его на крышке.

Ротор

Конструкция роторного узла состоит из схемы электромагнита с обмоткой возбуждения, смонтированной на несущем валу. Сам вал изготавливается из легированной стали дополненной свинцовыми присадками.

На вал ротора также закреплены медные контактные кольца и специальные подпружиненные щёточные контакты. Контактные кольца отвечают за подачу тока на ротор.

Статор

Статорный узел - это конструкция, состоящая из сердечника с многочисленными пазами (в большинстве используемых случаев их количество равно 36), в которые уложены витки трёх обмоток, имеющих между собой электрический контакт или по схеме «звезда», или по схеме «треугольник». Сердечник, именуемый также магнитопроводом, изготовлен в виде полой сферической окружности из металлических пластин, стянутых между собой заклёпками или заваренных в единый монолитный блок.

Для повышения на статорных обмотках уровня напряжённости магнитного поля в процессе производства этих пластин используется трансформаторное железо с усиленными магнитными параметрами.

Регулятор напряжения

Этот электронный узел разработан для компенсации нестабильности вращения роторного вала, который соединён с коленвалом силового агрегата автомобиля, функционирующего в широком интервале изменения числа оборотов. Регулятор напряжения подключен к графитовым токосъёмникам и способствует стабилизации заданного постоянного выходного напряжения, поступающего в электросеть машины. Этим он гарантирует бесперебойную эксплуатацию электрооборудования.

По своему конструкторскому решению регуляторы подразделяются на две группы:

дискретные;
интегральные;

К первому типу относятся электронные блоки, на конструктивной плате которых смонтированы радиоэлементы, разработанные с применением дискретной (корпусной) технологии, отличающейся неоптимальной плотностью компоновки элементов.

Ко второму типу относится большинство современных электронных блоков регулировки напряжения, разработанных с учётом интегрального способа компоновки радиоэлементов, изготовленных на основе тонкоплёночной микроэлектронной технологии.

Выпрямитель

Ввиду того что для правильного функционирования бортовых приборов требуется постоянное напряжение, выход генератора запитывает сеть автомашины через электронный узел, собранный на мощных выпрямительных диодах.

Этот 3-фазный выпрямитель, состоящий из шести полупроводниковых диодов, три из которых подключены на минусовый вывод («массу»), а три других подсоединены к плюсовому контакту генератора, предназначен для трансформации переменного напряжения в постоянное. Физически блок выпрямителя состоит из подковообразного металлического теплоотвода с размещёнными на нём выпрямительными диодами.

Щёточный узел

Этот узел имеет вид пластмассовой конструкции и сконструирован для передачи напряжения на контактные кольца. Содержит внутри корпуса несколько элементов, главные из которых - подпружиненные щёточные скользящие контакты. Они бывают двух модификаций:

электрографитные;
меднографитные (более износостойкие).

Конструктивно щёточный узел зачастую изготавливается в одном блоке с регулятором напряжения.

Система охлаждения

Отвод избыточного тепла, которое образуется внутри корпуса генератора, обеспечивают вентиляторы, закреплённые на его валу ротора. Генераторы, у которых щётки, регулятор напряжения и выпрямительный блок вынесены наружу, за пределы его корпуса и защищённые специальным кожухом, забирают свежий воздух через специальные охлаждающие щели в нём.

Крыльчатка внешнего охлаждения генератора

Устройство классической конструкции, с размещением вышеупомянутых узлов внутри генераторного корпуса, обеспечивают поступление свежего воздушного потока со стороны контактных колец.

Режимы работы

Для уяснения принципа работы автомобильного генератора необходимо представлять и режимы его эксплуатации.

начальный период запуска двигателя;
рабочий режим двигателя.

В первоначальный момент запуска двигателя основным и единственным потребителем, расходующим электрическую энергию, является стартёр. Генератор ещё не участвует в процессе выработки энергии, и поступление электроэнергии в этот момент предоставляет только аккумулятор. Ввиду того что сила потребляемого тока при этой схеме очень велика и может достигать сотен ампер, интенсивно расходовать запасённую ранее электрическую энергию.

После окончания процесса запуска двигатель выходит на рабочий режим, а генератор при этом становится полноправным поставщиком электропитания. Он вырабатывает ток, необходимый для функционирования различного электрооборудования, подключающегося в работу. Вместе с этой функцией генератор производит заряд аккумулятора при работающем двигателе.

После набора аккумулятором необходимого , необходимость в процессе подзарядки уменьшается, потребление тока заметно падает, а генератор продолжает поддерживать работу только электрооборудования. По мере подключения в работу других ресурсоёмких потребителей электроэнергии, мощности генератора в отдельные моменты времени может не хватать для обеспечения суммарной нагрузки и тогда в общую работу включается аккумулятор, работа которого в этом режиме характеризуется при этом быстрой потерей заряда.

Заключение

Автомобильный генератор сконструирован и рассчитан на электропитание штатных электроприборов и трансформацией механической энергии коленвала силового агрегата в электрическую.

Генератор располагается под капотом на фронтальной части двигателя. Конструкция генератора содержит в себе основные узлы - корпус, статор, ротор, подшипники, регулятор напряжения, выпрямительный мост, щёточный узел и вентиляторы.

Человечество уже больше века использует электричество во всех сферах деятельности. Без него просто невозможно представить себе нормальной жизни. С помощью специальных машин механическая энергия преобразуется в переменный или постоянный ток. Чтобы лучше понять, как это происходит, необходимо разобраться, из чего состоит генератор и как он работает.

Превращение механической энергии в электрическую

В основе работы любого генератора лежит принцип магнитной индукции . Первые электрические машины появились во второй половине XIX века. Их изобретателями стали Майкл Фарадей и Ипполит Пикси. В 1886 году прошла публичная демонстрация альтернатора - устройства, способного вырабатывать ток из механического движения.

Первый трехфазный генератор переменного тока разработал россиянин Доливо-Добровольский. Он же в 1903 году сооружает самую первую на Земле электростанцию промышленного значения, ставшую источником питания для элеватора.

Простейшая схема генератора переменного тока представляет собой проволочную катушку, совершающую вращение в магнитном поле. Альтернативный вариант - когда катушка остаётся недвижима, а её пересекает магнитное поле. В обоих случаях будет вырабатываться электрическая энергия. Пока продолжается движение, в проводнике вырабатывается переменный ток. Генераторы применяются для выработки тока во всем мире. Они являются частью глобальной системы электроснабжения Земного шара.

То как устроен генератор, зависит от его назначения, и возможны различные модификации. Однако существуют две основные составляющие:

Ротор - подвижный элемент, изготовленный из цельного железа.
Статор - неподвижный, он собирается из изолированных железных листов. Внутри на нём есть пазы, в которых проходит проволочная обмотка.

Чтобы получить наибольшую магнитную индукцию, расстояние между этими частями агрегата должно быть как можно меньшим. Обмотка возбуждения, находящаяся на роторе, питается через систему щёток.

Выделяются два типа конструкции:

с вращающимся якорем и неподвижным магнитным полем;
магнитное поле вращается, а якорь остаётся на месте.

Наибольшее применение получили машины с подвижными магнитными полюсами. Гораздо удобнее снимать электричество со статора, нежели с ротора. В целом генератор построен так же, как электродвигатель.

Классификация и виды агрегатов

Агрегаты для преобразования механической энергии в электрическую имеют сходную конструкцию. Они могут различаться принципом действия генератора и обмотки возбуждения:

По конструкции:

явно выраженные полюса;
не выраженные.

По способу соединения обмоток:

В зависимости от количества фаз:

однофазные;
двухфазные;
трехфазные.

Агрегаты постоянного тока устроены таким образом, что механизм для съёма энергии состоит из двух изолированных полуколец, на каждое из которых поступает заряд определённого потенциала. На выходе получается пульсирующий ток одной направленности.

Синхронные генераторы имеют якорь с обмоткой, на которую подаётся постоянный ток. Регулируя его величину, можно изменять силу магнитного поля и контролировать напряжение на выходе. В асинхронных нет обмотки, вместо этого используется эффект намагничивания.

Основные сферы применения

Стоит помнить о том, что обычное электричество в розетках появляется благодаря работе огромных генераторов переменного тока на тепловых электростанциях. Сфера использования этих электрических машин включает в себя все виды деятельности человека:

используются в качестве резервного источника энергии на объектах, где нельзя допускать перебоев электроснабжения;
незаменимы в местах, где отсутствуют линии электропередачи;
бо́льшая часть транспортных средств снабжена генератором, он вырабатывает электричество для бортовой сети;
питание установок для гидролиза;
промышленность;
на атомных и гидроэлектростанциях.

В последнее время всё большую популярность набирают бытовые агрегаты для выработки электроэнергии. Они отличаются компактными размерами и малым потреблением топлива. Могут работать на бензине и на дизеле. Применяются в походных условиях, на даче или как аварийный источник питания.

Изобретение способа получения электричества из механического движения имело эпохальное значение для развития современной цивилизации. Окружающий мир полон загадок, ответы на которые неизвестны, но, возможно, людей ждут и другие важные открытия, способные изменить жизнь.

Генератор тока преобразует механическую (кинетическую) энергию в электроэнергию. В энергетике пользуются только вращающимися электромашинными генераторами, основанными на возникновении электродвижущей силы (ЭДС) в проводнике, на который каким-либо образом действует изменяющееся магнитное поле. Ту часть генератора, которая предназначена для создания магнитного поля, называют индуктором, а часть, в которой индуцируется ЭДС – якорем.

Вращающуюся часть машины называют ротором , а неподвижную часть – статором . В синхронных машинах переменного тока индуктором обычно является ротор, а в машинах постоянного тока – статор. В обоих случаях индуктор представляет собой обычно двух- или многополюсную электромагнитную систему, снабженную обмоткой возбуждения, питаемой постоянным током (током возбуждения), но встречаются и индукторы, состоящие из системы постоянных магнитов. В индукционных (асинхронных) генераторах переменного тока индуктор и якорь не могут четко (конструктивно) различаться друг от друга (можно сказать, что статор и ротор одновременно являются и индуктором и якорем).

Более 95 % электроэнергии на электростанциях мира производится при помощи синхронных генераторов переменного тока . При помощи вращающегося индуктора в этих генераторах создается вращающееся магнитное поле, наводящее в статорной (обычно трехфазной) обмотке переменную ЭДС, частота которой точно соответствует частоте вращения ротора (находится в синхронизме с частотой вращения индуктора). Если индуктор, например, имеет два полюса и вращается с частотой 3000 r/min (50 r/s), то в каждой фазе статорной обмотки индуцируется переменная ЭДС частотой 50 Hz. Конструктивное исполнение такого генератора упрощенно изображено на рис. 1.

Рис. 1. Принцип устройства двухполюсного синхронного генератора. 1 статор (якорь), 2 ротор (индуктор), 3 вал, 4 корпус. U-X, V-Y, W-Z – размещенные в пазах статора части обмоток трех фаз

Магнитная система статора представляет собой спрессованный пакет тонких стальных листов, в пазах которого располагается статорная обмотка. Обмотка состоит из трех фаз, сдвинутых в случае двухполюсной машины друг относительно друга на 1/3 периметра статора; в фазных обмотках индуцируются, следовательно, ЭДС, сдвинутые друг относительно друга на 120o. Обмотка каждой фазы, в свою очередь, состоит из многовитковых катушек, соединенных между собой последовательно или параллельно. Один из наиболее простых вариантов конструктивного исполнения такой трехфазной обмотки двухполюсного генератора упрощенно представлен на рис. 2 (обычно число катушек в каждой фазе больше, чем показано на этом рисунке). Те части катушек, которые находятся вне пазов, на лобовой поверхности статора, называются лобовыми соединениями.

Рис. 2. Простейший принцип устройства статорной обмотки трехфазного двухполюсного синхронного генератора в случае двух катушек в каждой фазе. 1 развертка поверхности магнитной системы статора, 2 катушки обмотки, U, V, W начала фазных обмоток, X, Y, Z концы фазных обмоток

Полюсов индуктора и, в соответствии с этим, полюсных делений статора, может быть и больше двух. Чем медленнее вращается ротор, тем больше должно быть при заданной частоте тока число полюсов. Если, например, ротор вращается с частотой 300 r/min, то число полюсов генератора, для получения частоты переменного тока 50 Hz, должно быть 20. Например, на одной из крупнейших гидроэлектростанций мира, ГЭС Итайпу (Itaipu, см. рис. 4) генераторы, работающие на частоте 50 Hz, исполнены 66-полюсными, а генераторы, работающие на частоте 60 Hz – 78-полюсными.

Обмотка возбуждения двух- или четырехполюсного генератора размещается, как показано на рис. 1, в пазах массивного стального сердечника ротора. Такая конструкция ротора необходима в случае быстроходных генераторов, работающих при частоте вращения в 3000 или 1500 r/min (особенно для турбогенераторов, предназначенных для соединения с паровыми турбинами), так как при такой скорости на обмотку ротора действуют большие центробежные силы. При большем числе полюсов каждый полюс имеет отдельную обмотку возбуждения (рис. 3.12.3). Такой явнополюсный принцип устройства применяется, в частности, в случае тихоходных генераторов, предназначенных для соединения с гидротурбинами (гидрогенераторов), работающих обычно при частоте вращения от 60 r/min до 600 r/min.

Очень часто такие генераторы, в соответствии с конструктивным исполнением мощных гидротурбин, выполняются с вертикальным валом.

Рис. 3. Принцип устройства ротора тихоходного синхронного генератора. 1 полюс, 2 обмотка возбуждения, 3 колесо крепления, 4 вал

Обмотку возбуждения синхронного генератора обычно питают постоянным током от внешнего источника через контактные кольца на валу ротора. Раньше для этого предусматривался специальный генератор постоянного тока (возбудитель), жестко связанный с валом генератора, а в настоящее время используются более простые и дешевые полупроводниковые выпрямители. Встречаются и системы возбуждения, встроенные в ротор, в которых ЭДС индуцируется статорной обмоткой. Если для создания магнитного поля вместо электромагнитной системы использовать постоянные магниты, то источник тока возбуждения отпадает и генератор становится значительно проще и надежнее, но в то же время и дороже. Поэтому постоянные магниты применяются обычно в относительно маломощных генераторах (мощностью до нескольких сотен киловатт).

Конструкция турбогенераторов, благодаря цилиндрическому ротору относительно малого диаметра, очень компактна. Их удельная масса составляет обычно 0,5…1 kg/kW, и их номинальная мощность можеь достигать 1600 MW. Устройство гидрогенераторов несколько сложнее, диаметр ротора велик и удельная масса их поэтому обычно 3,5…6 kg/kW. До настоящего времени они изготовлялись номинальной мощностью до 800 MW.

При работе генератора в нем возникают потери энергии, вызванные активным сопротивлением обмоток (потери в меди), вихревыми токами и гистерезисом в активных частях магнитной системы (потери в стали) и трением в подшипниках вращающихся частей (потери на трение). Несмотря на то, что суммарные потери обычно не превышают 1…2 % мощности генератора, отвод тепла, освобождающегося в результате потерь, может оказаться затруднительным. Если упрощенно считать, что масса генератора пропорциональна его мощности, то его линейные размеры пропорциональны кубическому корню мощности, а поверхностные размеры – мощности в степени 2/3. С увеличением мощности, следовательно, поверхность теплоотвода растет медленнее, чем номинальная мощность генератора. Если при мощностях порядка нескольких сотен киловатт достаточно применять естественное охлаждение, то при бoльших мощностях необходимо перейти на принудительную вентиляцию и, начиная приблизительно со 100 MW, использовать вместо воздуха водород. При еще больших мощностях (например, более 500 MW) необходимо дополнить водородное охлаждение водным. У крупных генераторах надо специально охлаждать и подшипники, обычно используя для этого циркуляцию масла.

Тепловыделение генератора можно значительно уменьшить путем применения сверхпроводящих обмоток возбуждения. Первый такой генератор (мощностью 4 MVA), предназначенный для применения на судах, изготовила в 2005 году немецкая электротехническая фирма Сименс (Siemens AG) . Номинальное напряжение синхронных генераторов, в зависимости от мощности, находится обычно в пределах от 400 V до 24 kV. Использовались и более высокие номинальные напряжения (до 150 kV), но чрезвычайно редко. Кроме синхронных генераторов сетевой частоты (50 Hz или 60 Hz) выпускаются и высокочастотные генераторы (до 30 kHz) и генераторы пониженной частоты (16,67 Hz или 25 Hz), используемые на электрифицированных железных дорогах некоторых европейских стран. К синхронным генераторам относится, в принципе, и синхронный компенсатор, представляющий собой синхронный двигатель, работающий на холостом ходу и отдающий в высоковольтную распределительную сеть реактивную мощность. При помощи такой машины можно покрыть потребление реактивной мощности местных промышленных электропотребителей и освободить основную сеть энергосистемы от передачи реактивной мощности.

Кроме синхронных генераторов относительно редко и при относительно малых мощностях (до нескольких мегаватт) могут использоваться и асинхронные генераторы . В обмотке ротора такого генератора ток индуцируется магнитным полем статора, если ротор вращается быстрее, чем статорное вращающееся магнитное поле сетевой частоты. Необходимость в таких генераторах возникает обычно тогда, когда невозможно обеспечить неизменную скорость вращения первичного двигателя (например, ветряной турбины, некоторых малых гидротурбин и т. п.).

У генератора постоянного тока магнитные полюсы вместе с обмоткой возбуждения располагаются обычно в статоре, а обмотка якоря – в роторе. Так как в обмотке ротора при его вращении индуцируется переменная ЭДС, то якорь необходимо снабжать коллектором (коммутатором), при помощи которого на выходе генератора (на щетках коллектора) получают постоянную ЭДС. В настоящее время генераторы постоянного тока применяются редко, так как постоянный ток проще получать при помощи полупроводниковых выпрямителей.

К электромашинным генераторам относятся и электростатические генераторы , на вращающейся части которых путем трения (трибоэлектрически) создается электрический заряд высокого напряжения. Первый такой генератор (вращаемый вручную серный шар, который электризовался при трении об руку человека) изготовил в 1663 году мэр города Магдебурга (Magdeburg, Германия) Отто фон Гюрике (Otto von Guericke, 1602–1686). В ходе своего развития такие генераторы позволяли открывать многие электрические явления и закономерности. Они и сейчас не потеряли своего значения как средств проведения экспериментальных исследований по физике.

Первый изготовил 4 ноября 1831 года профессор Лондонского Королевского института (Royal Institution) Майкл Фарадей (Michael Faraday, 1791–1867). Генератор состоял из подковообразного постоянного магнита и медного диска, вращающегося между магнитными полюсами (рис. 3.12.4). При вращении диска между его осью и краем индуцировалась постоянная ЭДС. По такому же принципу устроены более совершенные униполярные генераторы, находящие применение (хотя относительно редко) и в настоящее время.

Рис. 4. Принцип устройства униполярного генератора Майкла Фарадея. 1 магнит, 2 вращающийся медный диск, 3 щетки. Рукоятка диска не показана

Майкл Фарадей родился в бедной семье и после начальной школы, в возрасте 13 лет, поступил учеником переплетчика книг. По книгам он самостоятельно продолжал свое образование, а по Британской энциклопедии ознакомился с электричеством, изготовил электростатический генератор и лейденскую банку. Для расширения своих знаний он начал посещать публичные лекции по химии директора Королевского института Гемфри Дэви (Humphrey Davy, 1778–1829), а в 1813 году получил должность его ассистента. В 1821 году он стал главным инспектором этого института, в 1824 году – членом Королевского общества (Royal Society) и в 1827 году – профессором химии Королевского института. В 1821 году он начал свои знаменитые опыты по электричеству, в ходе которых предложил принцип действия электродвигателя, открыл явление электромагнитной индукции, принцип устройства магнитоэлектрического генератора, закономерности электролиза и много других основополагающих физических явлений. Спустя год после вышеописанного опыта Фарадея, 3 сентября 1832 года, парижский механик Ипполит Пикси (Hippolyte Pixii, 1808–1835) изготовил по заказу и под руководством основоположника электродинамики Андре Мари Ампера (Andre Marie Ampere, 1775–1836) генератор с вращаемым вручную, как у Фарадея, магнитом (рис. 5). В якорной обмотке генератора Пикси индуцируется переменная ЭДС. Для выпрямления получаемого тока к генератору вначале пристроили открытый ртутный коммутатор, переключающий полярность ЭДС при каждом полуобороте ротора, но вскоре он был заменен более простым и безопасным цилиндрическим щеточным коллектором, изображенным на рис. 5.

Рис. 5. Принцип устройства магнитоэлектрического генератора Ипполита Пикси (a), график индуцируемой ЭДС (b) и график получаемой при помощи коллектора пульсирующей постоянной ЭДС (c). Рукоятка и конусная зубчатая передача не показаны

Генератор, построенный по принципу Пикси, впервые применил в 1842 году на своем заводе в Бирмингеме (Birmingham) для электропитания гальванических ванн английский промышленник Джон Стивен Вульрич (John Stephen Woolrich, 1790–1843), использовав в качестве приводного двигателя паровую машину мощностью 1 л. с. Напряжение его генератора составляло 3 V, номинальный ток – 25 A и кпд – около 10 %. Такие же, но более мощные генераторы быстро начали внедряться и на других гальванических предприятиях Европы. В 1851 году немецкий военный врач Вильгельм Йозеф Зинштеден (Wilhelm Josef Sinsteden, 1803–1891) предложил использовать в индукторе вместо постоянных магнитов электромагниты и питать их током от меньшего вспомогательного генератора; он же обнаружил, что кпд генератора увеличится, если стальной сердечник электромагнита изготовить не массивным, а из параллельных проволок. Однако идеи Зинштедена стал реально использовать только в 1863 году английский электротехник-самоучка Генри Уайльд (Henry Wilde, 1833–1919), который предложил, среди прочих нововведении, насадить машину-возбудитель (англ. exitatrice) на вал генератора. В 1865 году он изготовил генератор невиданной доселе мощности в 1 kW, при помощи которого он мог демонстрировать даже плавку и сварку металлов.

Важнейшим усовершенствованием генераторов постоянного тока стало их самовозбуждение , принцип которого запатентовал в 1854 году главный инженер государственных железных дорог Дании Сёрен Хьёрт (Soren Hjorth, 1801–1870), но не нашедшее в то время практического применения. В 1866 году этот принцип снова открыли независимо друг от друга несколько электротехников, в том числе уже упомянутый Г. Уайльд, но широко известным он стал в декабре 1866 года, когда немецкий промышленник Эрнст Вернер фон Сименс (Ernst Werner von Siemens, 1816–1892) применил его в своем компактном и высокоэффективном генераторе. 17 января 1867 года в Берлинской академии наук был прочитан его знаменитый доклад о динамоэлектрическом принципе (о самовозбуждении). Самовозбуждение позволило отказатьса от вспомогательных генераторов возбуждения (от возбудителей), что обусловило возможность выработки намного более дешевой электроэнергии в больших количествах. По этой причине год 1866 часто считают годом зарождения электротехники сильного тока. В первых самовозбуждающихся генераторах обмотку возбуждения включали, как у Сименса, последовательно (сериесно) с якорной обмоткой, но в феврале 1867 года английский электротехник Чарлз Уитстон (Charles Wheatstone, 1802–1875) предложил параллельное возбуждение, позволяющее лучше регулировать ЭДС генератора, к которому он пришел еще до сообщений о последовательном возбуждении, открытом Сименсом (рис. 6).

Рис. 6. Развитие систем возбуждения генераторов постоянного тока. a возбуждение при помощи постоянных магнитов (1831), b внешнее возбуждение (1851), c последовательное самовозбуждение (1866), d параллельное самовозбуждение (1867). 1 якорь, 2 обмотка возбуждения. Регулировочные реостаты тока возбуждения не показаны

Необходимость в генераторах переменного тока возникла в 1876 году, когда работающий в Париже русский электротехник Павел Яблочков (1847–1894) стал освещать городские улицы при помощи изготовляемых им дуговых ламп переменного тока (свечей Яблочкова). Первые необходимые для этого генераторы создал парижский изобретатель и промышленник Зеноб Теофиль Грамм (Zenobe Theophile Gramme, 1826–1901). С началом массового производства ламп накаливания в 1879 году переменный ток на некоторое время потерял свое значение, но снова обрел актуальность в связи с ростом дальности передачи электроэнергии в середине 1880-х годов. В 1888–1890 годах владелец собственной научно-исследовательской лаборатории Тесла-Электрик (Tesla-Electric Co., Нью-Йорк, США) эмигрировавший в США сербский электротехник Никола Тесла (Nikola Tesla, 1856–1943) и главный инженер фирмы АЭГ (AEG, Allgemeine Elektricitats-Gesellschaft) эмигрировавший в Германию русский электротехник Михаил Доливо-Добровольский (1862–1919) разработали трехфазную систему переменного тока. В результате началось производство все более мощных синхронных генераторов для сооружаемых тепло- и гидроэлектростанций.

Важным этапом в развитии турбогенераторов может считаться разработка в 1898 году цилиндрического ротора совладельцем швейцарского электротехнического завода Браун, Бовери и компания (Brown, Boveri & Cie., BBC) Чарлзом Эженом Ланселотом Брауном (Charles Eugen Lancelot Brown, 1863–1924). Первый генератор с водородным охлаждением (мощностью 25 MW) выпустила в 1937 году американская фирма Дженерал Электрик (General Electric), а с внутрипроводным водяным охлаждением – в 1956 году английская фирма Метрополитен Виккерс (Metropolitan Vickers).

Переменный ток – движущая сила многих производств и транспорта, в частности, автомобилей. Существуют как небольшие модели величиной с кулак, так и гигантские устройства несколько метров в высоту.

Генератор – та самая техническая система, которая преобразует механическую (кинетическую) энергию в электрическую. Как же действует генератор?

Как бы не был устроен генератор, в основе его действия лежит процесс электромагнитной индукции – появление в замкнутом контуре электрического тока под воздействием измененного магнитного потока.

Генератор условно делят на 2 части: индуктор и якорь.

Индуктором называют ту часть устройства, где создается магнитное поле, а якорем – ту половину, где образуется электродвижущая сила или ток.

Постоянным остается его техническое строение: проволочная обмотка и магнит.

В обмотке возникает электродвижущая сила под воздействием магнитного поля. Это основа для генератора. Но мощный переменный ток нельзя получить из такой примитивной конструкции. Для преобразования нужен сильный магнитный поток.

Для этого в проволочную намотку добавляют 2 стальных сердечника, которые и определяют назначение и устройство генератора переменного тока. Это статор и ротор. Обмотка, которая создает магнитное поле, помещается в паз одного сердечника – это статор, или индуктор. Он остается неподвижен в отличие от ротора. Статор питается постоянным током. Бывают двухполюсным или многополюсным.

Ротор, или также — якорь, активно вращается с помощью подшипников и продуцирует электродвижущую силу или переменный ток. Представляет собой внутренний сердечник с медной проволочной намоткой.

Генератор имеет прочный металлический корпус с несколькими выходами, что зависит от целевого назначения устройства. Переменчиво количество катушек с проволочной намоткой.

Разбираемся в особенностях функционирования агрегата

Теперь выясним, на каком принципе основана работа генераторов переменного тока. Схема функционирования достаточно проста и понятна. При условии постоянной скорости ротора электрический ток будет производиться единым потоком.

Вращение ротора провоцирует изменение магнитного потока. В свою очередь электрическое поле порождает появление электрического тока. Через контакты с кольцами на конце ток от ротора проходит в электрическую цепь устройства. Кольца имеют хорошее скользящее свойство. Они прочно контактируют со щеточками, которые являются постоянными неподвижными проводниками между электрической цепью и медной проволочной обмоткой ротора.

В медной обмотке вокруг магнита присутствует ток, но он очень слаб в сравнении с силой электрического тока, который выходит из ротора по цепи в устройство.

По этой причине для вращения ротора используют только слабый ток, подведенный по контактам со скольжением.

При сборке генератора переменного тока очень важно выдерживать пропорции деталей, размер, величины зазоров, толщину проволочных жил.
Собрать генератор переменного тока можно, если в вашем доме найдутся все необходимые детали и достаточное количество медной проволоки. Смастерить небольшой агрегат вполне реально. Или же для использования существует подробная инструкция.

Устройство и принцип работы генератора переменного тока на видео

Индукционный генератор переменного тока. В индукционных генераторах переменного тока механическая энергия превращается в электрическую. Индукционный генератор состоит из двух частей: подвижной, которая называется ротором, и неподвижной, которая называется статором. Действие генератора основано на явлении электромагнитной индукции. Индукционные генераторы имеют сравнительно простое устройство и позволяют получать большие токи при достаточно высоком напряжении. В настоящее время имеется много типов индукционных генераторов, но все они состоят из одних и тех же основных частей. Это, во-первых, электромагнит или постоянный магнит, создающий магнитное поле, и, во-вторых, обмотка, состоящая из последовательно соединенных витков, в которых индуцируется переменная электродвижущая сила. Так как электродвижущие силы, наводимые в последовательно соединенных витках, складываются, то амплитуда электродвижущей силы индукции в обмотке пропорциональна числу витков в ней.

Рис. 6.9

Число силовых линий, пронизывающих каждый виток, непрерывно меняется от максимального значения, когда он расположен поперек поля, до нуля, когда силовые линии скользят вдоль витка. В результате при вращении витка между полюсами магнита через каждые пол-оборота направление тока меняется на противоположное, и в витке появляется переменный ток. Во внешнюю цепь ток отводится при помощи скользящих контактов. Для этого на оси обмотки укреплены контактные кольца, присоединенные к концам обмотки. Неподвижные пластины – щетки – прижаты к кольцам и осуществляют связь обмотки с внешней цепью (рис. 6.9).

Пусть виток провода вpащается в одноpодном магнитном поле с постоянной угловой скоpостью . Магнитный поток, пронизывающий виток, меняется по закону , здесь S – площадь витка. Согласно закону Фаpадея в обмотке наводится электродвижущая сила индукции, которая опpеделяется следующим обpазом:

где N – число витков в обмотке. Таким образом, электродвижущая сила индукции в обмотке изменяется по синусоидальному закону и пpопоpциональна числу витков в обмотке и частоте вpащения.

В опыте с вращающейся обмоткой статором является магнит и контакты, между которыми помещена обмотка. В больших промышленных генераторах вращается электромагнит, который является ротором, в то время как обмотки, в которых наводится электродвижущая сила, уложены в пазах статора и остаются неподвижными. На тепловых электростанциях для вращения ротора используются паровые турбины. Турбины, в свою очередь, приводятся во вращение струями водяного пара, полученного в огромных паровых котлах за счет сжигания угля или газа (теплоэлектростанции) или распада вещества (атомные электростанции). На гидроэлектростанциях для вращения ротора используются водяные турбины, которые вращаются водой, падающей с большой высоты.

Электрогенераторы играют важнейшую роль в развитии нашей технологической цивилизации, поскольку позволяют получать энергию в одном месте, а использовать ее в другом. Паровая машина, например, может преобразовывать энергию сгорания угля в полезную работу, но использовать эту энергию можно только там, где установлены угольная топка и паровой котел. Электростанция же может размещаться весьма далеко от потребителей электроэнергии – и, тем не менее, снабжать ею заводы, дома и т.п.

Рассказывают (скорее всего, это всего лишь красивая сказка), будто Фарадей демонстрировал прототип электрогенератора Джону Пилу, канцлеру казначейства Великобритании, и тот спросил ученого: «Хорошо, мистер Фарадей, все это очень интересно, а какой от всего этого толк?».

«Какой толк? – якобы удивился Фарадей. – Да вы знаете, сэр, сколько налогов эта штука со временем будет приносить в казну?!»

Трансформатор.

Трансформатор. Электродвижущая сила мощных генераторов электростанций велика, между тем практическое использование электроэнергии требует чаще всего не очень высоких напряжений, а передача энергии, наоборот, очень высоких.

Для уменьшения потерь на нагревание проводов необходимо уменьшить силу тока в линии передачи, и, следовательно, для сохранения мощности увеличить напряжение. Напряжение, вырабатываемое генераторами (обычно около 20 кВ), повышают до напряжения 75 кВ, 500 кВ и даже до напряжения 1,15 МВ, в зависимости от длины линии электропередачи. Повышая напряжение с 20 до 500 кВ, то есть в 25 раз, уменьшают потери в линии в 625 раз.

Преобразование переменного тока определенной частоты, при котором напряжение увеличивается или уменьшается в несколько раз практически без потери мощности, осуществляется электромагнитным устройством, не имеющим подвижных частей – электрическим трансформатором. Трансформатор – важный элемент многих электрических приборов и механизмов. Зарядные устройства и игрушечные железные дороги, радиоприемники и телевизоры – всюду трудятся трансформаторы, которые понижают или повышают напряжение. Среди них встречаются как совсем крошечные, не более горошины, так и настоящие колоссы массой в сотни тонн и более.

Рис. 6.10

Трансформатор состоит из магнитопровода, представляющего собой набор пластин, которые обычно изготавливаются из ферромагнитного материала (рис. 6.10). На магнитопроводе располагаются две обмотки – первичная и вторичная. Та из обмоток, которая подключается к источнику переменного напряжения, называется первичной, а та, к которой присоединяют «нагрузку», то есть приборы, потребляющие электроэнергию, называется вторичной. Ферромагнетик увеличивает количество силовых линий магнитного поля приблизительно в 10 000 раз и локализует поток магнитной индукции внутри себя, благодаря чему обмотки трансформатора могут быть пространственно разделены и все же остаются индуктивно связанными.

Действие трансформатора основано на явлениях взаимной индукции и самоиндукции. Индукция между первичной и вторичной обмоткой взаимна, то есть ток, протекающий во вторичной обмотке, индуцирует электродвижущую силу в первичной, точно так же, как первичная обмотка индуцирует электродвижущую силу во вторичной. Более того, поскольку витки первичной обмотки охватывают собственные силовые линии, в них самих возникает электродвижущая сила самоиндукции. Электродвижущая сила самоиндукции наблюдается также и во вторичной обмотке.

Пусть первичная обмотка подсоединяется к источнику переменного тока с электродвижущей силой , поэтому в ней возникает переменный ток , создающий в магнитопроводе трансформатора переменный магнитный поток ? , который сосредотачивается внутри магнитного сердечника и пронизывает все витки первичной и вторичной обмоток.

При отсутствии внешней нагpузки выделяемая в тpансфоpматоpе мощность близка к нулю, то есть близка к нулю сила тока. Применим к первичной цепи закон Ома: сумма электродвижущей силы индукции и напряжения в цепи равна произведению силы тока на сопротивление. Полагая , можно записать: , следовательно, , где Ф – поток пронизывающий каждый виток первичной катушки. В идеальном трансформаторе все силовые линии проходят через все витки обеих обмоток, и поскольку изменяющееся магнитное поле порождает одну и ту же электродвижущую силу в каждом витке, то суммарная электродвижущая сила, индуцируемая в обмотке, пропорциональна полному числу ее витков. Следовательно, .

Коэффициент трансформации напряжения равен отношению напpяжения во вторичной цепи к напряжению в первичной цепи. Для амплитудных значений напряжений на обмотках можно записать:

Таким образом, коэффициент трансформации определяется как отношение числа витков вторичной обмотки к числу витков первичной обмотки. Если коэффициент , трансформатор будет повышающим, а если – понижающим.

Написанные выше соотношения, строго говоря, применимы только к идеальному трансформатору, в котором нет рассеяния магнитного потока и отсутствуют потери энергии на джоулево тепло. Эти потери могут быть связаны с наличием активного сопротивления самих обмоток и возникновением индукционных токов (токов Фуко) в сердечнике.

Токи Фуко.

Токи Фуко. Индукционные токи могут возникать также в сплошных массивных проводниках. При этом замкнутая цепь индукционного тока образуется в толще самого проводника при его движении в магнитном поле или под влиянием переменного магнитного поля. Эти токи названы по имени французского физика Ж.Б.Л. Фуко, который в 1855 г. обнаружил нагревание ферромагнитных сердечников электрических машин и других металлических тел в переменном магнитном поле и объяснил этот эффект возбуждением индукционных токов. Эти токи в настоящее время называются вихревыми токами или токами Фуко.

Если железный сердечник находится в переменном магнитном поле, то в нем под действием индукционного электрического поля наводятся внутренние вихревые токи – токи Фуко, ведущие к его нагреванию. Так как электродвижущая сила индукции всегда пропорциональна частоте колебаний магнитного поля, а сопротивление массивных проводников мало, то при высокой частоте в проводниках будет выделяться, согласно закону Джоуля–Ленца, большое количество тепла.

Во многих случаях токи Фуко бывают нежелательными, поэтому приходится принимать специальные меры для их уменьшения. В частности, эти токи вызывают нагревание ферромагнитных сердечников трансформаторов и металлических частей электрических машин. Для снижения потерь электрической энергии из-за возникновения вихревых токов сердечники трансформаторов изготавливают не из сплошного куска ферромагнетика, а из отдельных металлических пластин, изолированных друг от друга диэлектрической прослойкой.

Рис. 6.11

Вихревые токи широко используются для плавки металлов в так называемых индукционных печах (рис. 6.11), для нагревания и плавления металлических заготовок, получения особо чистых сплавов и соединений металлов. Для этого металлическую заготовку помещают в индукционную печь (соленоид, по которому пропускают переменный ток). Тогда, согласно закону электромагнитной индукции, внутри металла возникают индукционные токи, которые разогревают металл и могут его расплавить. Создавая в печи вакуум и применяя левитационный нагрев (в этом случае силы электромагнитного поля не только разогревают металл, но и удерживают его в подвешенном состоянии вне контакта с поверхностью камеры), получают особо чистые металлы и сплавы.