Генератор переменного тока - что это такое? Это электрическая машина, преобразующая энергию механического взаимодействия в электроэнергию. Как она работает? Закон электромагнитной индукции является основным в принципах работы такого устройства, как генератор переменного тока. Как известно из законов электромагнетизма, электродвижущая сила (ЭДС) может индуктироваться (создаваться) только в нескольких случаях: при изменении параметров магнитного потока вокруг самого проводника или же при движении проводника в магнитных полях. Магнитное поле - это материальная среда, которую можно обнаружить исключительно эмпирическим (опытным путем). То есть для выявления наличия или отсутствия такого силового поля в область его возможного действия необходимо внести проводник с током или намагниченное тело.

Характеристики генератора

В таком устройстве, как генератор переменного тока, основную часть занимает электромагнит. Он состоит из ферримагнитного сердечника и катушки и предназначен для формирования магнитного потока. Есть набор основных требований, которые предъявляются к подобным машинам: диапазон вращения от 50 до 12000 оборотов за минуту, широчайший диапазон возможных мощностей (от нескольких ватт до сотен мегаватт), минимальные масса и габариты, высокая надежность и работоспособность.

Трехфазный генератор переменного тока

Обычно такая машина бывает синхронной. Основная ее задача - преобразование любого вида энергии в электроэнергию. Традиционно, это механическая энергия. Почему генератор переменного тока называют синхронным? Это такая бесколлекторная машина, у которой скорость вращения постоянная и при заданной частоте определяется числом полюсов. Генератор переменного тока получил огромное распространение в производстве и в железнодорожном транспорте. Именно благодаря синхронности вращения его используют на рефрижераторных секциях и тепловозах.

Генератор переменного тока: устройство и основные принципы действия

Если вращать ротор и индуктор, то в обмотках статора начнет индуктироваться ЭДС. Именно это явление - основа для работы как трехфазных, так и однофазных машин. Благодаря широчайшему применению на тепловозах, первичным двигателем в таких тяговых синхронных генераторах может быть даже дизельный (двигатель внутреннего сгорания). Неподвижная часть у генератора переменного тока - статор, который состоит из сердечника и корпуса.

В пазы статора вложена обмотка, благодаря которой индуктируется ЭДС. Сердечник набирают из спрессованных листов специальной электротехнической стали. Ротор - это вал, на котором закреплены сердечники генераторных полюсов. Существуют полюса ярко- и слабовыраженные. Обмотка выполняется из медных проводов, обычно круглого или же прямоугольного сечения. Концы обмотки выводят к контактным кольцам. С помощью установленных в щеткодержателях щеток, которые прижимаются к контактным поверхностям пружинами, осуществляется токосъём. Учитывая несложную конструкцию, вполне реально сделать генератор переменного тока своими руками. Принцип действия его крайне прост. Ротор вращается при помощи двигателя. Магнитное поле ротора вращается с ним вместе. Именно по этому принципу и работает генератор переменного тока.

История

Системы производящие переменный ток были известны в простых видах со времён открытия магнитной индукции электрического тока . Ранние машины были разработаны такими пионерами, как Майкл Фарадей и Ипполит Пикси .

Фарадей разработал «вращающийся треугольник», действие которого было многополярным - каждый активный проводник пропускался последовательно через область, где магнитное поле было в противоположных направлениях. Первая публичная демонстрация наиболее сильной «альтернаторной системы» имела место в 1886 году . Большой двухфазный генератор переменного тока был построен британским электриком Джеймсом Эдвардом Генри Гордоном в 1882 году . Лорд Кельвин и Себастьян Ферранти также разработали ранний альтернатор, производивший частоты между 100 и 300 герц . В 1891 году Никола Тесла запатентовал практический «высокочастотный» альтернатор (который действовал на частоте около 15000 герц). После 1891 года, были введены многофазные альтернаторы.

Принцип действия генератора основан на действии электромагнитной индукции - возникновении электрического напряжения в обмотке статора , находящейся в переменном магнитном поле. Оно создается с помощью вращающегося электромагнита - ротора при прохождении по его обмотке постоянного тока . Переменное напряжение преобразуется в постоянное полупроводниковым выпрямителем .

Автомобильный генератор

Автомобильный генератор переменного тока. Приводной ремень снят.

Генератор переменного тока используется на современных автомобилях для заряда батареи аккумуляторов и для энергоснабжения автомобильной электрической системы. В генераторах переменного тока не используется коммутатор, это даёт большое преимущество над генераторами постоянного тока: они проще, легче и дешевле. Автомобильные генераторы переменного тока используют набор выпрямителей (диодный мост) для преобразования переменного тока в постоянный ток. Для производства постоянного тока с низкими пульсациями, автомобильные генераторы переменного тока имеют трёхфазную обмотку и трёхфазный выпрямитель .

Современные автомобильные генераторы переменного тока имеют встроенный в них регулятор напряжения . Ранее устанавливались регуляторы напряжения только аналогового вида. На данный момент реле регуляторы перешли на цифровой канал так называемая CAN шина .

Морские генераторы переменного тока

Морские генераторы переменного тока в яхтах с соответствующей адаптацией к солёно-водной окружающей среде.

Бесщёточные генераторы переменного тока

Бесщеточный генератор состоит из двух генераторов на одном валу. Маленькие бесщеточные генераторы могут выглядеть как одна единица, но две части легко идентифицируются на больших генераторах. Большая часть из двух является основным генератором и меньшая является возбудителем. Возбудитель имеет стационарные катушки поля и вращающегося якоря (мощность катушек). Основной генератор использует противоположные конфигурации с вращающимся полем и стационарные катушки. Мостовой выпрямитель (вращающийся выпрямитель) монтируется на пластину, прикрепленную к ротору. Ни щетки, ни контактные кольца не используются, что сокращает число изнашивающихся частей.

Индукционный генератор

В отличие от остальных генераторов, в основе работы индукционного генератора лежит не вращающееся магнитное поле, а пульсирующее, иначе говоря поле изменяется не в функции перемещения, а в функции времени, что в конечном счёте (наведение ЭДС) даёт такой же результат.

Конструкция индукционных генераторов предполагает размещение и постоянного поля и катушек для наведения ЭДС на статоре, ротор же остаётся свободным от обмоток, но обязательно имеет зубцовую форму, так как вся работа генератора основана на зубцовых гармониках ротора.

Генераторы для малой энергетики

Для мощностей до 100 кВт широкое применение нашли одно и трехфазные генераторы с возбуждением от постоянных магнитов. Применение высокоэнергетических постоянных магнитов состава неодим-железо-бор позволило упростить конструкцию и значительно уменьшить размеры и вес генераторов, что является критически важным для малой ветроэнергетики.

Конструкция генератора переменного тока

В самом общем случае, наиболее часто применяемый трехфазный генератор переменного тока состоит из явнополюсного ротора с одной парой полюсов (маломощные оборотистые генераторы) или 2 парами их, расположенными крестообразно (наиболее распространенные генераторы мощностями до нескольких сот киловатт. Такая конструкция не только позволяет более рационально использовать материал, но и для промышленной частоты переменного тока 50 Гц дает рабочую частоту вращения ротора 1500 оборотов в минуту, что хорошо согласуется с тяговыми оборотами дизельных двигателей этой мощности), а также статора с 3 (в первом случае) или 6 (во втором) силовыми обмотками и полюсами. Напряжение с силовых обмоток и есть то, которое подается потребителю.

Ротор может быть выполнен на постоянных магнитах только для весьма маломощных генераторов, во всех остальных случаях он имеет намотку т.н. обмотки возбуждения, то есть представляет из себя электромагнит постоянного тока, запитываемый во вращающемся роторе через щёточно-коллекторный узел с простыми кольцевыми контактами, более устойчивыми к износу нежели разрезной ламельный коллектор машин постоянного тока.

В сколько-либо мощном генераторе переменного тока с обмоткой возбуждения на роторе, неизбежно встает вопрос - какой величины ток возбуждения подавать на катушку? Ведь от этого зависит выходное напряжение такого генератора. И это напряжение должно поддерживаться в определенных рамках, например, 380 Вольт, вне зависимости от тока в цепи потребителей, значительная величина которого способна также значительно уменьшать выходное напряжение генератора. Кроме этого, нагрузка по фазам вообще может быть очень неравномерной.

Этот вопрос решается в современных генераторах, как правило введением в выходные цепи фаз генератора электромагнитных трансформаторов тока, соединенных вторичными обмотками треугольником или звездой, и дающими на выходе переменное трехфазное напряжение амплитудой единицы - десятки вольт, строго пропорциональное и согласованное по фазе с величиной тока нагрузки фаз генератора - чем больше потребляемый в данный момент по данной фазе ток, тем больше напряжение на выходе соответствующей фазы соответствующего токового трансформатора. Этим и достигается стабилизирующий и авторегулирующий эффект. Все три регулирующие фазы с вторичных обмоток токовых трансформаторов далее заводятся на обычный 3-фазный выпрямитель из 6 полупроводниковых диодов, и на выходе его получается постоянный ток нужной величины, и подаваемый на обмотку возбуждения ротора через щёточно-коллекторный узел. Схема может быть дополнена реостатным узлом для некоторой свободы регулирования тока возбуждения.

В устаревших или маломощных генераторах вместо токовых трансформаторов применялась система из мощных реостатов, с вычленением рабочего тока возбуждения за счет изменения падения напряжения на резисторе при изменении тока через него. Эти схемы были менее точны и гораздо менее экономичны.

В обоих случаях существует проблема появления начального напряжения на силовых обмотках генератора в момент начала его работы - действительно, если возбуждения ещё нет, то и току во вторичных обмотках токовых трансформаторов взяться неоткуда. Проблема, однако, решается тем что железо ярма ротора обладает некоторой способностью к остаточному намагничиванию, эта остаточная намагниченность оказывается достаточной для возбуждения в силовых обмотках напряжения в несколько вольт, достаточного для самовозбуждения генератора и выхода его на рабочие характеристики.

В генераторах с самовозбуждением - серьезную опасность представляет случайная подача внешнего напряжения промышленной электрической сети на силовые обмотки статора. Хотя это не приводит к каким-то негативным последствиям для самих обмоток генератора, мощное переменное магнитное поле от внешней сети эффективно размагничивает статор, в результате чего генератор теряет способность к самовозбуждению. В этом случае требуется начальная подача напряжения возбуждения от какого-то внешнего источника, например, автомобильного аккумулятора, иногда такая процедура полностью излечивает статор, но в некоторых случаях необходимость подачи внешнего возбуждения остается навсегда.

Главный генератор переменного тока

Главный генератор состоит из вращающегося магнитного поля, как было указано ранее, и неподвижной арматуры (генераторные обмотки)

Гибридные автомобили

См. также

Ссылки

• Alternators . Integrated Publishing (TPub.com).
• Wooden Low-RPM Alternator . ForceField, Fort Collins, Colorado, USA.

Синхронный генератор - машина (механизм) переменного тока, которая преобразовывает определенный тип энергии в электроэнергию. К таким устройствам относят электростатические машины, гальванические элементы, солнечные батареи, термобатареи и т. п. Использование каждого вида из перечисленных приборов определяется их техническими характеристиками.

Область применения

Применяют синхронные агрегаты как источники электроэнергии переменного тока: используют на мощных тепло-, гидро- и атомных станциях, на передвижных электрических станциях, транспортных системах (машинах, самолетах, тепловозах). Синхронный агрегат способен работать автономно - генератором, который питает подключаемую к ней какую-либо нагрузку, либо параллельно с сетью - в нее подключены иные генераторы.

Синхронный агрегат может включать устройства в тех местах, где нет центрального питания электрических сетей. Данные приборы можно применять в фермерских хозяйствах, которые расположены далеко от населенных пунктов.

Описание прибора

Устройство синхронного генератора обусловлено наличием таких элементов, как:

• Ротор, или индуктор (подвижный, вращающийся), в который входит обмотка возбуждения.
• Якорь, или статор (недвижимый), в который включается обмотка.
• Обмотка агрегата.
• Переключатель катушки статора.
• Выпрямитель.
• Несколько кабелей.
• Структура электрического компаундирования.
• Сварочный аппарат.
• Катушка ротора.
• Регулируемый поставщик постоянного электротока.

Синхронный генератор работает в качестве генераторов и моторов. Он может переходить от графика работы генератора к графику двигателя - это зависит от действия вращающей либо тормозящей силы прибора. В графике генератора в него входит механическая, а исходит электроэнергия. В графике двигателя в него входит электрическая, а исходит механическая энергия.

Прибор включается в цепь переменного тока разного типа нелинейных сопротивлений. Синхронные агрегаты являются генераторами переменного тока на электростанциях, а синхронные моторы используются тогда, когда необходим двигатель, что работает с постоянной крутящейся частотой.

Принцип работы агрегата

Работа синхронного генератора осуществляется по принципу электромагнитной индукции. Во время холостого движения якорная (статорная) катушка разомкнута, поэтому магнитное поле агрегата формируется одной обмоткой ротора. Когда ротор крутится от проводного мотора, у него присутствует постоянная частота, роторное магнитное поле перемещается через проводники обмоток фаз статора и осуществляет наводку повторяющихся переменных токов - электродвижущую силу (ЭДС). ЭДС носит синусоидальный, несинусоидальный либо пульсирующий характер.

Обмотка возбуждения предназначается для создания в генераторе первоначального магнитного поля, чтобы навести в катушку якоря электрическую движущую силу. В случае если якорь синхронного генератора приводят в движение путем вращения с определенной скоростью, затем возбуждают источником постоянных токов, то поток возбуждения переходит через проводники катушек статора, и в фазах катушки индуцируются переменные ЭДС.

Трехфазное устройство

Трехфазный синхронный генератор - устройство, имеющее трехфазную структуру переменного тока, которая имеет огромное практическое распространение. Крутящийся электромагнит способен образовывать магнитный поток (переменный), который перемещается через три фазы обмотки имеющегося статора. И результатом этого является то, что в фазах происходит переменная ЭДС однотипной частоты, сдвиг фаз осуществляется под углом, равным одной третьей периода вращения магнитных полей.

Трехфазный синхронный генератор оборудован так, что на его валу якорь является электромагнитом и питается от генератора. Когда вал вращается, к примеру, от турбины, генератор поставляет электроток, в то время как обмотка ротора питается поставляемым током. От этого якорь становится электрическим магнитом и, осуществляя обороты с тем же валом, доставляет вращающееся электромагнитное поле.

Благодаря синхронным трехфазным гидро- и турбогенераторам производится большая часть электроэнергии. Синхронные агрегаты применяются и в качестве электромоторов в таких устройствах, у которых мощность превышает 50 кВт. Во время работы синхронного агрегата в графике двигателя сам ротор соединяют с источником постоянных токов, статор же подключают к трехфазному кабелю.

Структуры возбуждения

Любые турбо-, гидро-, дизельные генераторы, синхронные компенсаторы, моторы, производимые на данный момент, оснащаются новейшими полупроводниковыми структурами, такими как возбуждение синхронных генераторов. В данных структурах применяется метод выпрямления трехфазных переменных токов возбудителей высокой или промышленной частоты либо напряжения возбуждаемого агрегата.

Устройство генератора таково, что структуры возбуждения могут обеспечить такие параметры работы агрегата, как:

• Первая стадия возбуждения, то есть начальная.
• Работа вхолостую.
• Подключение к сети способом точной синхронизации либо самосинхронизации.
• Работа в энергетической структуре с имеющимися нагрузками или перегрузками.
• Возбуждение синхронных приборовможет быть форсировано по таким критериям, как напряжение и ток, имеющими заданную кратность.
• Электроторможение аппарата.

Конструкция генератора

На данный момент производится много видов индукционных приборов, но устройство генератора создано так, что в них присутствуют одинаковые части:

• Электромагнит либо постоянный магнит, что производит магнитное поле.
• Обмотка с индуцирующейся переменной ЭДС.

Чтобы получить наибольший магнитный поток, во всех генераторах используют специальную магнитную структуру, которая состоит из двух стальных сердечников.

Обмотки, что создают магнитное поле, установлены в пазах одного из сердечников, а обмотки, индуцируемые ЭДС - в пазах другого. Один из сердечников - внутренний - взаимодействует со своей обмоткой и крутится вокруг горизонтального либо вертикального стержня. Такой стержень называется ротором. Недвижимый сердечник с обмоткой называется якорем (статором).

Характеристики прибора

Для оценки функции синхронных генераторов применяются те же самые характеристики, какие применяются в генераторах постоянного тока. Только некоторые условия различаются и дополняются.

Главные характеристики синхронного генератора такие:

• Холостой ход - это зависимость ЭДС прибора от токов возбуждения, одновременно является показателем намагничивания магнитных цепей машины.
• Внешняя характеристика - это зависимость напряжения устройства от токов нагрузки. Напряжение агрегата меняется по-разному в зависимости от увеличения нагрузки при различных ее видах. Причины, что вызывают такие изменения, следующие:

1. Падение значения напряжения на индуктивном и активном сопротивлении обмоток устройства. Увеличивается по мере того, как увеличивается нагрузка прибора, то есть его ток.
2. Изменение ЭДС агрегата. Происходит в зависимости от реакции статора. При активных нагрузках уменьшение напряжения будет вызвано падением напряжения во всех обмотках, потому что реакция статора влечет за собой увеличение ЭДС генератора. При активно-емкостных видах нагрузки эффект намагничивания вызывает увеличение текущего значения напряжения по сравнению с номинальным показателем.

• Регулировочные характеристики синхронного генератора - это зависимость токов возбуждения от токов нагрузки. В процессе работы синхронных агрегатов нужно поддерживать постоянное напряжение на их зажимах независимо от характера и величины нагрузок. Этого несложно достигнуть, если регулировать ЭДС генератора. Это можно сделать путем изменения токов воз-буждения автоматически в зависимости от изменений нагрузок, то есть при активно-емкостной нагрузке нужно уменьшать ток возбуждения для поддержания постоянного напряжения, а при активно-индуктивной и активной — увеличивать.

Мощность синхронного генератора определяется такими значениями:

• Соответствующим напряжением в электросети.
• Своей ЭДС.
• Углом измерения.

Прибор переменного тока

Синхронный генератор переменного тока - это электромашина, что преобразует механическую вращательную энергию в электрическую энергию переменных токов. Мощные генераторы таких токов устанавливают:

• гидрогенератор турбогенератор - на электростанциях;
• приборы переменного тока сравнительно небольшой мощности - в системах автономного энергоснабжения (газотурбинная электростанция, дизельная электростанция) и в частотных преобразователях (двигатель-генератор).

В настоящее время выпускается множество типов таких приборов, но все они имеют общее устройство главных элементов:

• якорь (статор) - неподвижный;
• крутящийся вокруг оси ротор.

В промышленных генераторах больших размеров вращается электромагнит, являющийся ротором. Одновременно с этим обмотки с наводящимися ЭДС, уложенные в пазы статора, остаются неподвижными.

В таких устройствах, как маломощный синхронный генератор, магнитное поле создается вращающимся постоянным магнитом.

Виды синхронных агрегатов

Существуют следующие виды синхронных генераторов:

1. Гидро - в нем ротор имеет отличие за счет присутствия явно выраженных полюсов, применяется при производстве электроэнергии, осуществляет работу на малых оборотах.
2. Турбо - имеет отличия неявнополюсным строением генератора, производится от турбин разного вида, скорость оборотов довольно высокая, достигает порядка 6000 оборотов в минуту.
3. Компенсатор синхронный - данный агрегат поставляет реактивную мощность, применяется для повышения качества электроэнергии, чтобы стабилизировать напряжение.
4. Асинхронный агрегат двойного питания - устройство генератора такого типа заключается в том, что в нем подключается как роторная, так и статорная обмотки от поставщика токов с различной частотой. Создается асинхронный график работы. Также он отличается устойчивостью графика работы и тем, что преобразовывает разные токи фаз и используется для решения задач с узкой специализацией.
5. Двухполюсный ударный агрегат - работает в графике короткого замыкания, воздействует кратковременно, в миллисекундах. Также испытывает аппараты с высоким напряжением.

Разновидности агрегатов

Синхронный генератор (мотор) подразделяется на несколько моделей, которые предназначены для разнообразных целей:

• Шаговые (импульсные) - применяются для приводов механизмов с циклом работы старт-стоп или устройств непрерывного движения с импульсным управляющим сигналом (счетчиков, лентопротяжных устройств, приводов станков с ЧПУ и др.).
• Безредукторные - для применения в автономных системах.
• Бесконтактные - применяются для работы в качестве электростанций на судах морского и речного флота.
• Гистерезисные - используются для счетчиков времени, в инерционных электроприводах, в системах автоматического управления;
• Индукторные моторы - для снабжения электроустановок.

Разделение по виду ротора

По роду прибора ротора устройство генератора подразделяется на:

• Явнополюсное - с выступающими либо с явно выраженными полюсами. Данные роторы применяются в генераторах с тихим ходом, у которых скорость вращения не превышает 1000 оборотов в минуту.
• Неявнополюсное - это ротор с формами цилиндра, у которого нет выступающих полюсов. Данные якоря бывают двухполюсными и четырехполюсными.

В первом случае ротор состоит из крестовины, на которой закрепляют сердечники полюсов или обмотки возбуждения. Во-втором - быстроходные агрегаты с числом оборотов 1500 либо 3000. Ротор сделан в виде цилиндра из стали довольно высокого качества с пазами, в них устанавливают обмотку возбуждения, состоящую из отдельных обмоток различной ширины.

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.

Для преобразования различных типов энергии в электрическую, используются специальные устройства. Одним из наиболее простых механизмов является генератор постоянного тока, который можно купить в любом магазине электротоваров или собрать своими руками.

Генератор постоянного тока – это устройство, которое преобразует механическую энергию в электрическую для дальнейшего использования во внешнем контуре. Источником механической энергии в таком случае может служить любое механическое усилие: вращение специальной ручки, подключение двигателя к прибору. Нужно отметить, что подавляющая часть квартир и домов в черте любого города снабжается при помощи именно таких генераторов, только промышленного типа.

Фото – генератор постоянного тока

Электрический генератор тока может действовать полностью противоположно. Обратное преобразование электрической энергии в механическую осуществляется посредством электродвигателя. Многие моторы оснащаются ручным (механическим) приводом, которые при правильном подключении могут преобразовать энергию и сети в обратном направлении.

Принцип работы и устройство

Генератор постоянного тока состоит из двух основных частей – это статор и ротор. Прочие детали:

1. Корпус: внешняя рама генератора. Зачастую изготовлен из чугуна или стали. Корпус обеспечивает механическую прочность для всей конструкции генератора (или электродвигателя). Он также передает магнитный поток, создаваемый полюсами;
2. Магнитные полюсы. Соединяются с корпусом при помощи винтов или болтов, на них размещается обмотка;
3. Статор, остов или ярмо изготавливается из ферромагнитных сплавов, на эту деталь устанавливается катушка возбуждения. Сердечники оснащены полюсами, которые помогают определить направление потока заряженных частиц. Именно магнитные наконечники образовывают магнитное поле, необходимое для работы устройства;
4. Ротор: якорь генератора. Сердечник собирается из отдельных стальных пластин, это помогает увеличить КПД генератора и уменьшить образование вихревых токов. При установке пластин образуются впадины, в которые наматывается обмотка якоря или обмотка самовозбуждения;
5. Коммутатор и щетки. Щетки изготавливаются из графита, при этом их в генераторе как минимум две. Узнать число щеток можно при помощи подсчета полюсов – этот показатель идентичен.

Фото – конструкция якоря постоянного генератора

Для соединения выводов контура используются коллекторные пластины, их производятся из меди, которая известна, как отличный проводник электрических сигналов.

Принцип действия генератора постоянного тока базируется на формуле:

Согласно ему, когда проводник движется в магнитном поле (что позволяет сократить магнитные силовые линии), ЭДС индукции динамически производится в проводнике. Величина генерируемого ЭДС может быть задана при помощи уравнения генератора постоянного тока.

Одной из основных функций устройства для преобразования переменного тока является генерирование ЭДС в постоянный ток. Направление генерируемого ЭДС будет меняться через каждый проводник, через который энергия проходит при вращении ротора. При помощи коммутатора, на выходе генератора образуется постоянный поток заряженных частиц. Выходной сигнал при этом имеет вот такой вид:

Фото – выходной сигнал генератора постоянного тока

Типы

Существуют такие типы генераторов постоянного тока: с самовозбуждением и работающие по принципу независимого включения (схема ниже). Способы возбуждения зависят от типа питания устройства. Самовозбуждающийся электрогенератор работает от наружных источников, это может быть аккумуляторная батарея или ветрогенератор. Также внешняя система возбуждения часто реализовывается на магнитах (в основном на устройствах с низкой мощностью, до нескольких десятков ватт).

Фото – схема генератора с независимым включением

Возбуждение независимого генератора производится за счет питания от обмотки прибора. Эти устройства также делятся на виды:

1. Шунтовые или параллельного возбуждения;
2. Последовательные.

Первые отличаются параллельным включением обмотки якоря с обмоткой возбуждения, вторые, соответственно, последовательным подключением этих деталей.

Якорная реакция

Это довольно частое явление в режиме холостого хода генератора. Оно характеризуется наложением результирующих магнитных полей статором и ротором, что снижает напряжение и уменьшает магнитное поле. Вследствие, падает электродвижущая сила устройства, наблюдаются перебои в работе, синхронный генератор даже может перегреться или загореться из-за искр, которые появляются от неправильного трения щеток.

Фото – полюсы генератора

При этой неисправности можно сделать следующее:

1. Компенсировать магнитное поле при помощи дополнительных полюсов. Это поможет справиться с падением этой характеристики в отдельных точках схемы;
2. Часто ремонт осуществляется простым сдвигом коллекторных щеток.

Назначение

В отличие от генераторов переменного тока, устройства с постоянным типом электроэнергии нуждаются в источнике бесперебойного питания, постоянно направляющего ток DC в обмотку якоря. Из-за этого область применения таких приборов довольно узкоспециализированная, в данный момент они мало где используются.

Фото – принцип работы генератора

Часто их используют для питания электрического транспорта в городах. Также генераторы постоянного тока применяют для работы электрического автомобиля, мотоцикла или как судовые возбудители или сварочные инверторы. Они применяются как тихоходные двигатели для ветряков.

Генератор дизельный постоянного тока может использоваться как электродвигатель для мощных промышленных машин (тяговый трактор, комбайн и прочие) и тахогенератор. При этом для управления трактора требуется мощный агрегат, у которого технические характеристики не уступают показателям 300 – 400 кВт. При этом дизель может заменить также газ.

Фото – устройство автомобильного генератора

Генератор постоянного тока имеет следующие характеристики (расчет производится при n=const):

1. Холостой ход Е=f(iв)
2. Формула для последовательного возбуждения U=f(I)
3. Параллельное возбуждение U=f(I)

Исследование показывает, что характеристики можно рассчитать и исходя из n=0.

Стандартные показатели Вы можете найти в паспорте прибора, причем они часто отклоняются на несколько процентов (возможная погрешность также указывается в инструкции к генератору). Самодельные генераторы могут иметь отличные характеристики от представленных, подобрать необходимые данные можно при помощи справочников. Проверить их можно методом измерения имеющихся параметров, есть разные способы, зависящие от типа генератора.

Достоинства генератора постоянного тока:

1. В отличие от прибора переменного типа, не теряет энергию на гистерезисе, а также на вихревых токах;
2. Может работать в экстремальных условиях;
3. Имеет относительно легкий вес и небольшую конструкцию;

У такого устройства есть и недостатки. Главным является необходимость во внешнем источнике питания. Но иногда данная особенность используется как регулятор электрической машины.

Купить генераторы постоянного тока можно в интернет-магазинах, на импортных сайтах, а также на заводах и рынках. Продажа также производится с рук, но не рекомендуем использовать бывшие в употреблении электрические приборы. Стоимость зависит от назначения и мощности прибора. Цена на 4ГПЭМ варьируется в пределах 30 000 рублей, а ПМ-45 – 60 000. При покупке должна быть произведена презентация работы.