От чего зависит эдс генератора

Таким образом, любое изменение момента первичного двигателя, т. е. потребляемой генератором мощности, вызывает соответствующее изменение как электромагнитного момента генератора, так и вырабатываемой им мощности.

Так же при изменениях нагрузки генератора потребуется соответствующее изменение момента первичного двигателя для поддержания постоянства частоты вращения якоря генератора.

Схема работы генератора постоянного тока

Ток обмотки якоря I при нагрузке генератора встречает на своем пути сопротивление внешней нагрузки Rн , сопротивление обмотки якоря Ro6 и сопротивление переходных контактов между щетками и коллектором Rщ .

Обозначив через Rя внутреннее сопротивление машины, представляющее собой сумму сопротивлений обмотки якоря и щеточных контактов( Ro6 + Rщ ), для тока в якоре можем записать следующее выражение: I = E/(Rя+Rн) .

Сопротивление Rщ непостоянно и зависит от многих факторов: величины и направления тока, состояния коллектора, силы нажатия щеток на коллектор, частоты вращения.
Падение напряжения в щеточных контактах остается примерно неизменным при изменениях нагрузки (принимается равным 2 В на пару угольных и графитных щеток). Поэтому внутреннее сопротивление машины Rя также непостоянно при изменении нагрузки генератора.

Так как IRn = U , где U — напряжение на зажимах генератора при нагрузке, то получим следующее уравнение равновесия эдс для генератора: U = E — IRя .

Из уравнения равновесия эдс легко получить уравнение мощностей,
т. е. UI = EI — IRя или Р 2 = Рэ — IRя , где Р 2 — полезная мощность генератора, отдаваемая потребителю электрической энергии; Рэ — внутренняя или электромагнитная мощность генератора, преобразованная им в электрическую;
IRя = Pоб — потери мощности в обмотке якоря и щеточных контактах.

При холостом ходе генератора электромагнитная мощность равна нулю ( Рэ = 0 ), но для вращения якоря машины первичный двигатель должен затратить некоторую мощность Р 0 , расходуемую на покрытие потерь холостого хода.
Мощность Р 0 складывается из механических потерь на трение в подшипниках и трение о воздух вращающихся частей машины Р Mex и из потерь в стали на гистерезис и вихревые токи Рст .

В генераторах с самовозбуждением мощность Р 0 включает также мощность, затраченную на создание магнитного потока, т. е. на возбуждение машины.
При нагрузке генератора первичный двигатель затрачивает мощность
P 1 = Pэ + P 0 .
Электромагнитный момент машины Мэ = Рэ/ , где = 2n/60 рад/с — угловая скорость якоря.

Так как Рэ = ЕI и E = (pN/60a)nФ , то электромагнитный момент машины определится следующим выражением: Мэ = (pN/2 a)IФ .

Величины а , р и N постоянны для данной машины, поэтому выражение
pN/2 a = К представляет собой некоторый постоянный для данной машины коэффициент, и электромагнитный момент равен: М Э = КIФ , т. е. электромагнитный момент пропорционален произведению тока в якоре на магнитный поток полюсов.

Способы возбуждения генераторов постоянного тока

Генераторы постоянного тока могут быть выполнены с магнитным и электромагнитным возбуждением.
Для создания магнитного потока в генераторах с магнитным возбуждением используют постоянные магниты, а в генераторах с электромагнитным возбуждением — электромагниты.
Постоянные магниты применяют лишь в машинах очень малых мощностей.
Таким образом, электромагнитное возбуждение является наиболее широко используемым способом для создания магнитного потока.
При этом способе возбуждения магнитный поток создается током, проходящим по обмотке возбуждения.

В зависимости от способа питания обмотки возбуждения генераторы постоянного тока могут быть с независимым возбуждением и с самовозбуждением.

При независимом возбуждении (изо, а ) обмотка возбуждения включается в сеть вспомогательного источника энергии постоянного тока. Для регулирования тока возбуждения Iв в цепи обмотки включено сопротивление Rp . При таком возбуждении ток Iв не зависит от тока в якоре I .
Недостатком генераторов независимого возбуждения является потребность в дополнительном источнике энергии. Поэтому генераторы независимого возбуждения находят очень ограниченное применение только в машинах высоких напряжений, у которых питание обмотки возбуждения от цепи якоря недопустимо по конструктивным соображениям.

Генераторы с самовозбуждением в зависимости от включения обмотки возбуждения могут быть параллельного (изо, б ), последовательного (изо, в ) и смешанного (изо, г ) возбуждения.

Схемы возбуждения генераторов постоянного тока:
а — независимого, б — параллельного, в — последовательного, г — смешанного

У генераторов параллельного возбуждения ток мал (несколько процентов номинального тока якоря), и обмотка возбуждения имеет большое число витков.

При последовательном возбуждении ток возбуждения равен току якоря и обмотка возбуждения имеет малое число витков.

При смешанном возбуждении на полюсах генератора помещаются две обмотки возбуждения — параллельная и последовательная.

Процесс самовозбуждения генераторов постоянного тока протекает одинаково при любой схеме возбуждения. Рассмотрим, например, процесс самовозбуждения в генераторах параллельного возбуждения, получивших наиболее широкое применение.
Какой-либо первичный двигатель вращает якорь генератора, магнитная цепь (ярмо и сердечники полюсов) которого имеет небольшой остаточный магнитный поток Ф 0 . Этим магнитным потоком в обмотке вращающегося якоря индуктируется эдс Е 0 , составляющая несколько процентов номинального напряжения машины.

Под действием эдс Е 0 в замкнутой цепи, состоящей из якоря и обмотки возбуждения, проходит ток Iв .
Магнитодвижущая сила обмотки возбуждения I B ( — число витков) направлена согласно с потоком остаточного магнетизма, увеличивая магнитный поток машины Ф , что вызывает повышение как эдс в обмотке якоря Е , так и тока в обмотке возбуждения Iв . Увеличение последнего приводит к дальнейшему возрастанию Ф , что, в свою очередь, увеличивает Е и Iв .

Из-за насыщения стали магнитной цепи машины самовозбуждение происходит не беспредельно, а до какого-то определенного напряжения, зависящего от частоты вращения якоря машины и сопротивления в цепи обмотки возбуждения.

При насыщении стали магнитной цепи увеличение магнитного потока замедляется и процесс самовозбуждения заканчивается.

Увеличение сопротивления в цепи обмотки возбуждения уменьшает как ток в ней, так и магнитный поток, возбуждаемый этим током. Поэтому уменьшается эдс и напряжение, до которого возбуждается генератор.

Напряжение так же, как и эдс, прямо пропорционально частоте, вследствие чего с изменением частоты вращения изменяется и напряжение, до которого возбуждается генератор.

Характеристики генераторов постоянного тока

Характеристики генератора определяют его рабочие свойства и представляют зависимость между основными величинами, которыми являются эдс в обмотке якоря Е , напряжение на его зажимах U , ток в якоре I , ток возбуждения Iв и частота вращения якоря n .

Характеристика холостого хода генератора независимого возбуждения:
а — при перемагничнвании стали, б — при изменении частоты вращения якоря

Характеристики представляют собой зависимости между двумя из указанных основных величин при неизменных остальных. Эти зависимости имеют различный вид для генераторов разных типов.

Снятие всех характеристик машины производится при постоянной частоте вращения якоря, так как при изменении частоты значительно изменяются все характеристики генератора.
Характеристика холостого хода генератора представляет собой зависимость между эдс в якоре и током возбуждения, снятую при отсутствии нагрузки и постоянной частоте вращения.

Для генераторов независимого возбуждения при отсутствии нагрузки (холостой ход) ток в якоре равен нулю. Так как эдс, индуктированная в обмотке якоря, равна
Е = СnФ , то при постоянной частоте вращения эдс окажется прямо пропорциональной магнитному потоку.
Поэтому в измененном масштабе характеристика холостого хода представляет магнитную характеристику машины.

При Iв = 0 магнитная цепь машины (главным образом ярмо) имеет некоторый остаточный магнитный поток Ф 0 , который индуктирует в обмотке якоря эдс Е (изо, а ).
Эта эдс составляет несколько процентов ( 2 — 5% ) номинального напряжения машины.
С увеличением тока в обмотке возбуждения возрастают как магнитный поток, так и эдс, индуктированная в обмотке якоря. Таким образом, при постоянном постепенном увеличении Iв возрастает и эдс (кривая 1 ).

Если после снятия восходящей ветви от точки А начать постепенно понижать ток возбуждения Iв , то эдс также начнет уменьшаться, но за счет гистерезиса нисходящая ветвь (кривая 2 ) пойдет несколько выше восходящей ветви этой характеристики.
Изменяя Iв не только по величине, но и по направлению, можно снять весь цикл перемагничивания стали машины.

Практически восходящая и нисходящая ветви магнитной характеристики имеют крайне незначительное расхождение, и за основную характеристику принимается средняя зависимость (кривая 3 ).
На изо, б показаны характеристики холостого хода, снятые при различной частоте вращения якоря генератора.

Вращению якоря машины с номинальной частотой n н , указанной в паспорте генератора, соответствует кривая 1 . Для всех машин нормального типа точка номинального напряжения (точка А ) находится на перегибе магнитной характеристики.

Выбор точки номинального напряжения на линейном участке магнитной характеристики приводит к резким колебаниям напряжения на зажимах генератора при нагрузке, так как незначительные колебания магнитодвижущей силы вызывают резкое изменение эдс.

Выбор этой точки на пологом участке магнитной характеристики приводит к ограничению регулирования напряжения на зажимах генератора, так как для изменения эдс требуются очень большие изменения тока возбуждения.

При частоте вращения, отличной от номинальной частоты вращения якоря генератора, меняется характеристика холостого хода, так как эдс пропорциональна частоте. При n’ > n н характеристика холостого хода расположится выше (кривая 2 ), а при n’ < n н — ниже (кривая 3 ), чем при номинальной частоте вращения.

Следовательно, при изменении частоты вращения якоря точка номинального напряжения окажется либо на линейном (точка В ), либо на пологом (точка С ) участке магнитной характеристики, что вызывает изменение всех характеристик генератора. Поэтому первичный двигатель для вращения якоря генератора надо выбирать так, чтобы его частота вращения была близкой к номинальной частоте генератора.

Для генераторов параллельного возбуждения при холостом ходе ток в якоре равен току возбуждения ( I = Iв ). Так как этот ток составляет малую величину (несколько процентов номинального тока генератора), то напряжение на зажимах машины при холостом ходе будет примерно равным эдс и характеристика холостого хода этого генератора практически совпадет с характеристикой генератора независимого возбуждения.
Однако весь цикл перемагничивания в генераторах параллельного возбуждения снять нельзя, так как при изменении направления тока в обмотке возбуждения магнитный поток ее будет направлен встречно потоку остаточного магнетизма и самовозбуждение генератора окажется невозможным.

Для генератора последовательного возбуждения характеристика холостого хода смысла не имеет, так как при холостом ходе в якоре и обмотке возбуждения ток равен нулю, и характеристика может быть снята только по схеме независимого возбуждения.
Для этого обмотка возбуждения генератора должна быть включена в сеть какого-либо независимого источника тока.

Для генераторов смешанного возбуждения характеристика холостого хода совпадает с характеристикой генератора параллельного возбуждения.
Внешняя характеристика представляет собой зависимость напряжения на зажимах генератора от тока нагрузки. Эта характеристика соответствует естественным условиям работы машины, т. е. машина нерегулируема (сопротивление цепи возбуждения R B постоянно) и снимается при неизменной частоте вращения.

Для генераторов независимого возбуждения при постоянном R B неизменен также и ток возбуждения Iв . Внешние характеристики такого генератора показаны на изо, а .

Кривая 1 представляет собой внешнюю характеристику на понижение напряжения, соответствующую току обмотки возбуждения, при котором напряжение генератора равно номинальному при холостом ходе.
С возрастанием нагрузки (тока I в якоре генератора) увеличивается как падение напряжения в сопротивлении его обмотки, так и размагничивающее действие реакции якоря, что вызывает понижение напряжения.
При изменении нагрузки от нуля до номинальной напряжение на зажимах генератора уменьшается на величину Uпн .
Характеристике на повышение напряжения (кривая 2 ) соответствует такой ток возбуждения, чтобы при номинальной нагрузке генератора напряжение на его зажимах было равно номинальному, после чего нагрузка генератора уменьшается.

С уменьшением нагрузки (тока в якоре) также снижается как падение напряжения в сопротивлении обмотки якоря и щеточных контактах, так и размагничивающее действие реакции якоря, что вызывает повышение напряжения.
При изменении нагрузки от номинальной до 0 напряжение на зажимах генератора увеличивается на величину Uп в .
За счет насыщения стали повышение напряжения меньше, чем понижение, так как размагничивающее действие реакции якоря будет сказываться тем сильнее, чем меньше степень насыщения стали.

В генераторах параллельного возбуждения при постоянном сопротивлении цепи возбуждения R B ток возбуждения не остается постоянным, так как зависит от напряжения на зажимах генератора, которое при изменении нагрузки меняется.

В генераторах независимого возбуждения увеличение нагрузки вызывает понижение напряжения под воздействием падения напряжения в сопротивлении машины и реакции якоря (кривая 1 на изо, б ).

В генераторах параллельного возбуждения при уменьшении напряжения также уменьшается ток возбуждения, что вызывает уменьшение магнитного потока и понижение напряжения.
Следовательно, при увеличении нагрузки напряжение на зажимах генератора этого типа уменьшается в большей мере (кривая 2 ), чем в генераторах независимого возбуждения.

Уменьшение внешнего сопротивления нагрузки вызывает увеличение тока до некоторого значения I макс , не превышающего номинальный ток более чем
в 2 — 2,5 раза.
При дальнейшем уменьшении внешнего сопротивления ток уменьшается и при коротком замыкании будет значительно меньше номинального.

Понижение сопротивления нагрузки вызывает уменьшение тока возбуждения, так как напряжение генератора понижается. Если ток возбуждения уменьшился настолько, что машина оказалась размагниченной, то эдс понижается в большей степени, чем сопротивление нагрузки, что вызывает уменьшение тока в якоре.

При коротком замыкании генератора параллельного возбуждения ток Iв равен нулю, и обмотка возбуждения не создает магнитного потока.
Поэтому в обмотке якоря будет эдс только от остаточного магнитного потока Е 0 , имеющая малое значение, и, следовательно, ток короткого замыкания Iк будет также мал.

Внешняя характеристика на повышение напряжения у генератора параллельного возбуждения (кривая 3 ) имеет такой же вид, как у генератора независимого возбуждения.

Для генератора последовательного возбуждения внешняя характеристика показана на изо, в . В генераторах этого типа ток возбуждения равен току якоря ( Iв = I ), и при холостом ходе ( I = 0 ) в обмотке якоря будет создана эдс Е 0 за счет остаточного магнетизма.
С увеличением нагрузки также возрастет ток в обмотке возбуждения, что вызывает увеличение эдс (кривая 1 ).

Напряжение на зажимах генератора при нагрузке меньше эдс вследствие падения напряжения в сопротивлении машины и реакции якоря (кривая 2 ).

Таким образом, у генераторов последовательного возбуждения напряжение резко меняется с изменением нагрузки, поэтому они не нашли применения.

В генераторах смешанного возбуждения возможно согласное и встречное включение последовательной и параллельной обмоток.
При согласном включении обмоток возбуждения результирующая магнитодвижущая сила, создающая магнитный поток, равна сумме магнитодвижущих сил параллельной и последовательной обмоток, а при встречном включении — разности этих магнитодвижущих сил.

На изо, г показаны внешние характеристики генератора смешанного возбуждения.
С увеличением нагрузки такого генератора уменьшается напряжение на его зажимах в результате падения напряжения в его сопротивлении и реакции якоря.
Однако с увеличением нагрузки возрастает также ток в последовательной обмотке возбуждения.
Поэтому при согласном включении обмоток увеличение нагрузки вызывает увеличение магнитного потока и эдс обмотки якоря.

Если эдс с повышением нагрузки возрастает на величину, равную понижению напряжения генератора, так как падает напряжение в его сопротивлении и реакции якоря, то напряжение на зажимах генератора будет практически оставаться неизменным при изменении нагрузки от холостого хода до номинальной (кривая 1 ).

Такой генератор, называемый нормально возбужденным, не требует регулировки тока возбуждения при изменениях нагрузки.

При уменьшении числа витков последовательной обмотки эдс с возрастанием нагрузки будет увеличиваться в меньшей степени и не будет компенсировать понижения напряжения, так что напряжение на зажимах генератора будет уменьшаться (кривая 2 ), т. е. генератор недовозбужден.

Если число витков последовательной обмотки возбуждения больше, чем то, которое соответствует нормальному возбуждению машины, то генератор окажется перевозбужденным, и напряжение на его зажимах будет возрастать с увеличением нагрузки (кривая 3 ).

При встречном включении обмоток возбуждения внешняя характеристика подобна внешней характеристике генератора параллельного возбуждения (кривая 4 ), однако токи максимальный I макс и короткого замыкания Iк у генератора смешанного возбуждения будут меньше соответствующих токов генератора параллельного возбуждения в результате размагничивающего действия магнитодвижущих сил последовательной обмотки.

Наиболее часто применяют генераторы нормально возбужденные, а также перевозбужденные, позволяющие компенсировать падение напряжения в линии, соединительных проводах и т. д. с тем, чтобы напряжение на нагрузке оставалось постоянным при изменении тока.

Генераторы со встречным включением обмоток возбуждения не обеспечивают постоянства напряжения и поэтому широкого применения не нашли. Их используют лишь в тех случаях, когда необходимо ограничить токи коротких замыканий (например, при электросварке).

Регулировочная характеристика генератора представляет собой зависимость тока возбуждения от тока нагрузки, снимаемая при постоянном напряжении на зажимах генератора.
Регулировочная характеристика генератора показывает, в какой мере следует изменить ток в обмотке возбуждения для того, чтобы напряжение на зажимах генератора оставалось постоянным при изменении тока нагрузки.

В генераторах независимого и параллельного возбуждения с увеличением тока нагрузки необходимо увеличить ток возбуждения для того, чтобы скомпенсировать падение напряжения на внутреннем сопротивлении машины и размагничивающее действие потока реакции якоря.

В генераторах смешанного возбуждения (нормально возбужденных) напряжение при изменении нагрузки не претерпевает изменений, и, следовательно, необходимость регулирования тока возбуждения отпадает, т. е. регулировочная характеристика в таких генераторах не имеет смысла, так как ток возбуждения постоянен при изменениях тока нагрузки.

Как устроены генераторы постоянного и переменного тока

Термин «генерация» в электротехнику пришел из латинского языка. Он обозначает «рождение». Применительно к энергетике можно сказать, что генераторами называют технические устройства, занимающиеся выработкой электроэнергии.

При этом надо оговориться, что производить электрический ток можно за счет преобразования различных видов энергии, например:

• химической;
• световой;
• тепловой и других.

Исторически сложилось так, что генераторами называют конструкции, которые преобразуют кинетическую энергию вращения в электричество.

Электрический генератор можно определить как устройство, которое работает путем преобразования механической энергии в электрическую. Электрический генератор — это вращающаяся электрическая машина, которая преобразует энергию вращающегося ротора в универсально используемую электрическую энергию. Так что, по сути, генератор — это противоположность двигателя.

По виду вырабатываемой электроэнергии генераторы бывают:

1. постоянного тока;

Электрический генератор на тепловой электростанции

Принцип работы простейшего генератора

Физические законы, которые позволяют создавать современные электрические установки для выработки электроэнергии за счет преобразований механической энергии, открыты учеными Эрстедом и Фарадеем.

В конструкции любого генератора реализуется принцип электромагнитной индукции, когда происходит наводка электрического тока в замкнутой рамке за счет пересечения ее вращающимся магнитным полем, которое создается постоянными магнитами в упрощенных моделях бытового использования или обмотками возбуждения на промышленных изделиях повышенных мощностей.

При вращении рамки изменяется величина магнитного потока.

Электродвижущая сила, наводимая в витке, зависит от скорости изменения магнитного потока, пронизывающего рамку в замкнутом контуре S, и прямо пропорциональна его значению. Чем быстрее осуществляется вращение ротора, тем выше величина вырабатываемого напряжения.

Для того чтобы создать замкнутый контур и отвести с него электрический ток, потребовалось создать коллектор и щеточный узел, обеспечивающий постоянный контакт между вращающейся рамкой и стационарно расположенной частью схемы.

За счет конструкции подпружиненных щеток, прижимающихся к коллекторным пластинам, происходит передача электрического тока на выходные клеммы, а с них дальше он поступает в сеть потребителя.

Принцип работы простейшего генератора постоянного тока

При вращении рамки вокруг оси ее левая и правая половинки циклически проходят около южного или северного полюса магнитов. В них каждый раз происходит смена направлений токов на противоположное так, что у каждого полюса они протекают в одну сторону.

Для того чтобы в выходной цепи создавался постоянный ток, на коллекторном узле создано полукольцо для каждой половинки обмотки. Прилегающие к кольцу щетки снимают потенциал только своего знака: положительный или отрицательный.

Поскольку полукольцо вращающейся рамки разомкнуто, то в нем создаются моменты, когда ток достигает максимального значения или отсутствует. Чтобы поддерживать не только направление, но и постоянную величину вырабатываемого напряжения, рамку изготавливают по специально подготовленной технологии:

• у нее используют не один виток, а несколько — в зависимости от величины запланированного напряжения;
• число рамок не ограничивается одним экземпляром: их стараются сделать достаточным количеством для оптимального поддержания перепадов напряжения на одном уровне.

У генератора постоянного тока обмотки ротора располагают в пазах магнитопровода. Это позволяет сокращать потери наводимого электромагнитного поля.

Конструктивные особенности генераторов постоянного тока

Основными элементами устройства являются:

• внешняя силовая рама;
• магнитные полюса;
• статор;
• вращающийся ротор;
• коммутационный узел со щётками.

Корпус изготавливают из стальных сплавов или чугуна для придания механической прочности общей конструкции. Дополнительной задачей корпуса является передача магнитного потока между полюсами.

Полюса магнитов крепят к корпусу шпильками или болтами. На них монтируют обмотку.

Статор , называемый еще ярмом или остовом, изготавливают из ферромагнитных материалов. На нем размещают обмотку катушки возбуждения. Сердечник статора оснащен магнитными полюсами, образующими его магнитное силовое поле.

Ротор имеет синоним: якорь. Его магнитопровод состоит из шихтованных пластин, снижающих образование вихревых токов и повышающих КПД. В пазы сердечника заложены обмотки ротора и/или самовозбуждения.

Коммутационный узел со щетками может иметь разное количество полюсов, но оно всегда кратно двум. Материалом щеток обычно используют графит. Коллекторные пластины изготавливают из меди, как наиболее оптимального металла, подходящего по электрическим свойствам проводимости тока.

Благодаря использованию коммутатора на выходных клеммах генератора постоянного тока образуется сигнал пульсирующего вида.

Основные типы конструкций генераторов постоянного тока

По типу питания обмотки возбуждения различают устройства:

1. с самовозбуждением;

2. работающие на основе независимого включения.

Первые изделия могут:

• использовать постоянные магниты;
• или работать от внешних источников, например, аккумуляторных батарей, ветряной установки…

Генераторы с независимым включением работают от собственной обмотки, которая может быть подключена:

• последовательно;
• шунтами или параллельным возбуждением.

Один из вариантов подобного подключения показан на схеме.

Примером генератора постоянного тока может служить конструкция, которая раньше часто применялась на автомобильной технике. Ее устройство такое же, как у асинхронного двигателя.

Подобные коллекторные конструкции способны работать в режиме двигателя или генератора одновременно. За счет этого они получили распространение в существующих гибридных автомобилях.

Процесс образования якорной реакции

Она возникает в режиме холостого хода при неправильной настройке усилия прижатия щеток, создающее неоптимальный режим их трения. Это может привести к снижению магнитных полей или возникновению пожара из-за повышенного образования искр.

Способами ее снижения являются:

• компенсации магнитных полей за счет подключения дополнительных полюсов;
• настройка сдвига положения коллекторных щеток.

Преимущества генераторов постоянного тока

• отсутствие потерь на гистерезис и образование вихревых токов;
• работа в экстремальных условиях;
• пониженный вес и маленькие габариты.

Принцип работы простейшего генератора переменного тока

Внутри этой конструкции используются все те же детали, что и у предыдущего аналога:

• магнитное поле;
• вращающаяся рамка;
• коллекторный узел со щетками для отвода тока.

Основное отличие заключается в устройстве коллекторного узла, который создан так, что при вращении рамки через щетки постоянно создается контакт со своей половинкой рамки без циклической смены их положения.

За счет этого ток, сменяющийся по законам гармоники в каждой половинке, полностью без изменений передается на щетки и далее через них в схему потребителя.

Естественно, что рамка создана намоткой не из одного витка, а рассчитанного их количества для достижения оптимального напряжения.

Таким образом, принцип работы генераторов постоянного и переменного тока общий, а отличия конструкции заключаются в изготовлении:

• коллекторного узла вращающегося ротора;
• конфигурации обмоток на роторе.

Конструктивные особенности промышленных генераторов переменного тока

Рассмотрим основные части промышленного индукционного генератора, у которого ротор получает вращательное движение от рядом расположенной турбины. В конструкцию статора включен электромагнит (хотя магнитное поле может создаваться набором постоянных магнитов) и обмотка ротора с определённым числом витков.

Внутри каждого витка индуктируется электродвижущая сила, которая последовательно складывается в каждом из них и образует на выходных зажимах суммарное значение напряжения, выдаваемого на схему питания подключенных потребителей.

Чтобы повысить на выходе генератора амплитуду ЭДС используют специальную конструкцию магнитной системы, выполненную из двух магнитопроводов за счет применения специальных сортов электротехнической стали в виде шихтованных пластин с пазами. Внутри их смонтированы обмотки.

В корпусе генератора расположен сердечник статора с пазами для размещения обмотки, создающей магнитное поле.

Вращающийся на подшипниках ротор тоже имеет магнитопровод с пазами, внутри которых смонтирована обмотка, получающая индуцируемую ЭДС. Обычно для размещения оси вращения выбирается горизонтальное направление, хотя, встречаются конструкции генераторов с вертикальным расположением и соответствующей конструкцией подшипников.

Между статором и ротором всегда создается зазор, необходимый для обеспечения вращения и исключения заклинивания. Но, в то же время в нем происходит потеря энергии магнитной индукции. Поэтому его стараются делать минимально возможным, оптимально учитывая оба этих требования.

Расположенный на одном валу с ротором возбудитель является электрогенератором постоянного тока, обладающим относительно небольшой мощностью. Его назначение: питать электроэнергией обмотки силового генератора в состоянии независимого возбуждения.

Подобные возбудители применяют чаще всего с конструкциями турбинных или гидравлических электрогенераторов при создании основного либо резервного способа возбуждения.

На картинке промышленного генератора показано расположение коллекторных колец и щеток для съема токов с конструкции вращающегося ротора. Этот узел при работе испытывает постоянные механические и электрические нагрузки. Для их преодоления создается сложная конструкция, которая при эксплуатации требует периодических осмотров и выполнения профилактических мероприятий.

Чтобы снизить создаваемые эксплуатационные затраты применяется другая, альтернативная технология, при которой тоже используется взаимодействие между вращающимися электромагнитными полями. Только на роторе располагают постоянные или электрические магниты, а напряжение снимают со стационарно расположенной обмотки.

При создании подобной схемы такую конструкцию могут называть термином «альтернатор». Она применяется в синхронных генераторах: высокочастотных, автомобильных, на тепловозах и судах, установках электрических станций энергетики для производства электроэнергии.

Особенности синхронных генераторов

Название и отличительный признак действия заключен в создании жесткой связи между частотой переменной электродвижущей силы, наводимой в статорной обмотке «f» и вращением ротора.

В статоре вмонтирована трехфазная обмотка, а на роторе — электромагнит с сердечником и обмоткой возбуждения, запитанной от цепей постоянного тока через щеточный коллекторный узел.

Ротор приводится во вращение от источника механической энергии — приводного двигателя с одинаковой скоростью. Его магнитное поле совершает такое же движение.

В обмотках статора наводятся одинаковые по величине, но сдвинутые на 120 градусов по направлению электродвижущие силы, создающие трехфазную симметричную систему.

При подключении на концы обмоток цепей потребителей в схеме начинают действовать токи фаз, которые образуют магнитное поле, вращающееся точно так же: синхронно.

Форма выходного сигнала наводимой ЭДС зависит только от закона распределения вектора магнитной индукции внутри зазора между полюсами ротора и пластинами статора. Поэтому добиваются создания такой конструкции, когда величина индукции меняется по синусоидальному закону.

Когда зазор имеет постоянную характеристику, то вектор магнитной индукции внутри зазора создается по форме трапеции, как показано на графике линий 1.

Если же форму краев на полюсах исправить на косоугольную с изменением зазора до максимального значения, то можно добиться синусоидальной формы распределения, как показано линией 2. Этим приемом и пользуются на практике.

Схемы возбуждения синхронных генераторов

Магнитодвижущая сила, возникающая на обмотке возбуждения «ОВ» ротора, создает его магнитное поле. Для этого существуют разные конструкции возбудителей постоянного тока, основанные на:

1. контактном методе;

2. бесконтактном способе.

В первом случае используется отдельный генератор, называемый возбудителем «В». Его обмотка возбуждения питается от дополнительного генератора по принципу параллельного возбуждения, именуемого подвозбудителем «ПВ».

Все роторы размещаются на общем валу. За счет этого они вращаются совершенно одинаково. Реостаты r1 и r2 служат для регулирования токов в схемах возбудителя и подвозбудителя.

При бесконтактном способе отсутствуют контактные кольца ротора. Прямо на нем монтируют трехфазную обмотку возбудителя. Она синхронно вращается с ротором и передает через совместно вращающийся выпрямитель электрический постоянный ток непосредственно на обмотку возбудителя «В».

Разновидностями бесконтактной схемы являются:

1. система самовозбуждения от собственной обмотки статора;

2. автоматизированная схема.

При первом методе напряжение от обмоток статора поступает на понижающий трансформатор, а затем — полупроводниковый выпрямитель «ПП», вырабатывающий постоянный ток.

У этого способа первоначальное возбуждение создается за счет явления остаточного магнетизма.

Автоматическая схема создания самовозбуждения включает использование:

• трансформатора напряжения ТН;
• автоматизированного регулятора возбуждения АВР;
• трансформатора тока ТТ;
• выпрямительного трансформатора ВТ;
• тиристорного преобразователя ТП;
• блока защиты БЗ.

Особенности асинхронных генераторов

Принципиальное отличие этих конструкций состоит в отсутствие жесткой связи между частотами вращения ротора (nr) и индуцируемой в обмотке ЭДС (n). Между ними всегда существует разница, которую называют «скольжением». Ее обозначают латинской буквой «S» и выражают формулой S=(n-nr)/n.

При подключении нагрузки на генератор создается тормозной момент для вращения ротора. Он влияет на частоту вырабатываемой ЭДС, создает отрицательное скольжение.

Конструкцию ротора у асинхронных генераторов изготавливают:

• короткозамкнутой;
• фазной;
• полой.

Асинхронные генераторы могут иметь:

1. независимое возбуждение;

В первом случае используется внешний источник переменного напряжения, а во втором — полупроводниковые преобразователи или конденсаторы в первичной, вторичной или обоих видах схем.

Таким образом, генераторы переменного и постоянного тока имеют много общих черт в принципах построения, но отличаются конструктивным исполнением определённых элементов.

Первые электрические генераторы

Все началось в начале 19 века с экспериментов с новым явлением – электрическим током, когда было обнаружено, что ток, протекающий по проводнику, каким-то образом влияет на стрелку компаса.

Это означает, что электрический ток создает определенное магнитное поле, на которое реагирует стрелка. За счет увеличения силы тока и увеличения числа токонесущих проводников (например, в виде витков катушки на железном сердечнике) создается более сильное магнитное поле.

Электрический заменитель природных постоянных магнитов — электромагнит — увидел свет. В то время гальванические элементы (батареи) были эксклюзивным поставщиком постоянного тока.

Несколько лет спустя английский физик Майкл Фарадей предположил, что может существовать и обратное явление, когда магнитное поле вызывает появление электрического тока.

Путем ряда экспериментов он подтвердил свое предположение и открыл электромагнитную индукцию, которая до сих пор является основой всей электротехники и энергетики.

Электрогенератор с паровым двигателем. Гравюра из немецкого справочника 1907 года.

Закон электромагнитной индукции гласит, что при изменении магнитного поля вблизи проводника на его концах создается (индуцируется) напряжение и по замкнутой цепи начинает протекать ток. Здесь важно слово «изменения», само по себе наличие постоянного магнитного поля не вызывает создания тока.

Первый электрический генератор Майкла Фарадея открыл человечеству многообещающий путь замены используемых в то время гальванических элементов (количество энергии которых очень ограничено) более мощными источниками и таким образом сделать электроэнергию доступной для более широкой области использования.

Скользящее взаимное движение магнита и проводника заменено вращением нити в поле статических магнитов (это упростило изменение поля) и простая нить заменена катушкой (больше витков последовательно давало большее выходное напряжение). Это создало основу для первых генераторов постоянного тока — динамо-машин.

Со временем мощность динамо увеличилась, и обычные магниты пришлось заменить более сильными электромагнитами с большим количеством катушек.

Электрический ток, производимый во вращающихся катушках, проходил через кольцо на валу ротора — своего рода механический переключатель, называемый коммутатором, который, вращая ротор, всегда подключал к выходу катушку с наибольшим наведенным напряжением. Динамо-машина вырабатывала постоянное напряжение.

После того, как было решено, что энергия и дальше будет идти по пути переменного тока, динамо-машины стали заменять генераторами переменного тока.

Генератор переменного тока на электростанции

Вместо коммутатора было всего два полных коллекторных кольца, на которых менялась полярность протекающего тока при каждом витке катушки. В более мощных генераторах роли статора и ротора поменялись местами.

Постоянный ток, подаваемый через кольца на подвижные катушки ротора, создавал вращающееся магнитное поле, а в неподвижных катушках статора генерировалось выходное переменное напряжение.

Еще более высокая мощность потребовала утроения количества катушек статора и получения трехфазного напряжения.

Все генераторы, поставляющие электроэнергию в одну и ту же электрическую сеть, должны соответствовать как минимум трем условиям: одинаковая частота, одно и тоже напряжение и одинаковая последовательность фаз.

Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети: