Генератор переменного тока

В подавляющем своем большинстве современные генераторы — это синхронные генераторы переменного тока. У них на статоре располагается якорная обмотка, от которой и отводится генерируемая электрическая энергия. На роторе располагается обмотка возбуждения, на которую через пару контактных колец подается постоянный ток, чтобы получить вращающееся магнитное поле от вращающегося ротора.

За счет явления электромагнитной индукции, при вращении ротора от внешнего привода (например от ДВС), его магнитный поток пересекает поочередно каждую из фаз обмотки статора, и таким образом наводит в них ЭДС.

Чаще всего фаз три, они смещены физически на якоре друг относительно друга на 120 градусов, так получается трехфазный синусоидальный ток. Фазы можно соединить по схеме «звезда» либо «треугольник», чтобы получить стандартное сетевое напряжение.

Упрощенная схема трехфазного генератора переменного тока:

Трехмашинный синхронный генератор

Конечно, у классического синхронного генератора есть один серьезный минус — на роторе располагаются контактные кольца и щетки, прилегающие к ним. Щетки искрят и изнашиваются из-за трения и электрической эрозии. Во взрывоопасной среде это не допустимо. Поэтому в авиации и в дизель-генераторах более распространены бесконтактные синхронные генераторы, в частности — трехмашинные.

У трехмашинных устройств в одном корпусе установлены три машины: предвозбудитель, возбудитель и генератор — на общем валу. Предвозбудитель — это синхронный генератор, он возбуждается от постоянных магнитов на валу, генерируемое им напряжение подается на обмотку статора возбудителя.

Статор возбудителя действует на обмотку на роторе, соединенную с закрепленным на ней трехфазным выпрямителем, от которого и питается основная обмотка возбуждения генератора. Генератор генерирует в своем статоре ток.

Газовые, дизельные и бензиновые переносные генераторы

Сегодня очень распространены в домашних хозяйствах дизельные, газовые и бензиновые генераторы, которые в качестве приводных двигателей используют ДВС — двигатель внутреннего сгорания, передающий механическое вращение на ротор генератора.

У генераторов на жидком топливе имеются топливные баки, газовым генераторам — необходимо подавать топливо через трубопровод, чтобы затем газ был подан в карбюратор, где превратится в составную часть топливной смеси.

Во всех случаях топливная смесь сжигается в поршневой системе, приводя во вращение коленвал. Это похоже на работу автомобильного двигателя. Коленвал вращает ротор бесконтактного синхронного генератора (альтернатора).

Лучшие инверторные генераторы домашних электростанций имеют встроенный аккумулятор для компенсации перепадов и систему двойного преобразования, у таких устройств переменное напряжение получается более стабилизированным.

Автомобильные генераторы

Встроенный электронный регулятор удерживает напряжение в допустимых для автомобильного аккумулятора пределах. Автомобильный генератор — высокооборотный генератор, его обороты могут достигать 9000 в минуту.

Хотя изначально ток получается переменным (полюсные наконечники ротора поочередно и в разной полярности пересекают своими магнитными потоками три фазы обмотки статора), затем он выпрямляется диодами и превращается в постоянный, пригодный для зарядки аккумулятора.

Необычные конструкции электрических генераторов:

Источник

Электрогенератор

Электрический генератор (от латинского — «производитель») — устройство, вырабатывающее электрическую энергию, то есть преобразующее механическую энергию в электрический ток.

Благодаря изобретению генератора уже в середине XIX в. у промышленности и населения появилась реальная возможность производства и использования электричества, например, для работы станков или освещения домов и улиц. Кстати, электрические двигатели постоянного тока по своей конструкции практически полностью аналогичны генераторам. Более того, если вращать якорь электромотора постоянного тока (например, от электрической машинки или другой игрушки), он, как и генератор, начнет вырабатывать ток.

Принцип работы первого генератора

В 1831 г. английский ученый Майкл Фарадей открыл электромагнитную индукцию. Сущность этого открытия заключалась в том, что если вращать проводник между полюсами магнита, то в нем возникнет электромагнитное поле. Такое поле возбуждает движение электронов, и по проводнику начинает течь электрический ток. Благодаря этому открытию стало возможным создание электрического генератора и электрического двигателя.

Как работает электрогенератор?

Работа электрогенератора состоит во взаимодействии статора, ротора и контактных колец. Статор во включенном генераторе остается неподвижным. Расстояние между статором и ротором составляет всего лишь несколько миллиметров, поэтому между ними возникает очень сильное магнитное поле, и в обмотке ротора появляется электрический ток большой мощности. Обмотка статора при подаче напряжения от внешнего источника превращается в электромагнит.

Ротор соединен с валом механического устройства (двигатель внутреннего сгорания, ветряной или водяной двигатель и т. п.) и вращается во время работы генератора. Обмотка ротора в момент своего движения постоянно пересекает магнитное поле, создаваемое обмотками статора, и в ней образуется электрический ток.

Такая конструкция позволила избавиться от больших и тяжелых постоянных магнитов. Контактные кольца предназначены для съема электрической энергии с обмоток ротора. Они представляют собой барабан со множеством медных пластин, к которым подключены обмотки ротора. Снаружи с ними соприкасаются графитовые щетки, к которым с помощью проводов подключен потребитель электрической энергии.

Современный водяной двигатель

В современных водяных двигателях колесо с лопастями заменено более скоростной водяной турбиной (образовано от слова «турбо» — «вихрь»). Чаще всего она имеет спиральный кожух, по форме напоминающий раковину улитки. Вода поступает в широкий конец кожуха. Так как «коридор», по которому она течет, все время сужается, ее напор увеличивается.

Затем усиленный поток воды поступает на вогнутые лопатки турбины, которая расположена в центре «улитки», и вращает ее. Так энергия потока воды преобразуется в механическую работу.

Электричество из воды

В наши дни электричество производят на гидроэлектростанциях, которые используют энергию движущейся воды.

Гидроэлектростанция состоит из двух основных частей: энергоблока и плотины (или дамбы), накапливающей воду. В энергоблоке расположены генераторы, вырабатывающие электрический ток. Их роторы вращаются благодаря водяным турбинам. Так энергия потока воды преобразуется в электрическую.

Гидроэлектростанции-гиганты

Одна из самых мощных в мире гидроэлектростанций была построена в Китае на реке Янцзы и получила название «Три ущелья». Ее бетонная плотина имеет длину 2309 м и высоту 185 м. Общая мощность электрогенераторов станции составляет почти 23 МВт (1 МВт = 1 млн Вт). За год они вырабатывают около 100 млрд кВт/ч электроэнергии.

Лишь немногим меньше электроэнергии вырабатывает гидроэлектростанция «Итайпу», расположенная на реке Парана (на границе Бразилии и Парагвая), которая имеет самую большую плотину. Высота этого гигантского сооружения достигает 196 м, а длина — 7235 м.

Источник

Генератор тока.

На мировом рынке наиболее известными поставщиками генераторов являются компании: General Electric (GE), ABB, Siemens AG, Mecc Alte.

Генераторы постоянного тока.

Единственным типом источника для получения электроэнергии на протяжении долгого времени были электрические генераторы.

Различаются генераторы постоянного тока по характеру их возбуждения, они бывают с самовозбуждением и независимого возбуждения. К независимому источнику питания в генераторах с электромагнитным возбуждением подключается обмотка возбуждения, располагающаяся на главных полюсах.

Постоянными магнитами, из которых производятся полюсы машины, возбуждаются генераторы с магнитоэлектрическим возбуждением. Основное применение генераторы постоянного тока находят в тех отраслях промышленности, где постоянный ток является предпочтительным по условиям производства (предприятия электролизной и металлургической промышленности, суда, транспорт и прочие). В качестве источников постоянного тока и возбудителей синхронных генераторов применяются генераторы постоянного тока на электростанциях.

Может достигать до 10 Мегаватт мощность генератора тока.

Генераторы переменного тока.

При достаточно высоком напряжении получать большие токи позволяют генераторы переменного тока. Несколько типов индукционных генераторов различают в настоящее время.

Они состоят из создающего магнитное поле постоянного магнита или электромагнита и обмотки, индуцируется в которой переменная ЭДС. Так как складываются наводимые в последовательно соединенных витках ЭДС, то в рамке индукции амплитуда ЭДС будет пропорциональна количеству в ней витков. Также она пропорциональна через каждый виток амплитуде переменного магнитного потока. В генераторах тока, чтобы получить большой магнитный поток применяется специальная магнитная система, состоящая из двух сердечников, изготовленных из электротехнической стали. В пазах одного из сердечников размещены создающие магнитное поле обмотки, а в пазах второго располагаются обмотки, в которых индуцируется ЭДС. Один из сердечников называется ротором, так как он вращается вокруг вертикальной или горизонтальной оси, вместе со своей обмоткой.

С помощью скользящих контактов приходится во внешнюю цепь подводить ток к ротору или отводить его из обмотки ротора. Контактными кольцами, которые присоединены к концам его обмотки для этого снабжается ротор. К кольцам прижаты неподвижные пластины-щетки, они осуществляют связь с внешней цепью обмотки ротора. В обмотках создающего магнитное поле электромагнита, сила тока значительно меньше той силы тока, которую отдает генератор тока во внешнюю цепь. Поэтому гораздо удобнее снимать генерируемый ток с неподвижных обмоток, а сравнительно слабый ток подводить через скользящие контакты к вращающемуся электромагниту. Вырабатывается этот ток, расположенным на том же валу отдельным генератором постоянного тока (возбудителем). Вращающимся магнитом создается магнитное поле в маломощных генераторах тока, щетки и кольца в таком случае вообще не требуются.

Бывают двух типов обмотки возбуждения синхронных генераторов: с явнополюсными и неявнополюсными роторами. Выступают из индуктора несущие обмотки возбуждения в генераторах с явнополюсными роторами полюса. На сравнительно низкие частоты вращения рассчитаны генераторы данного типа, они используются для работы с приводом от поршневых паровых машин, гидротурбин, дизельных двигателей. Для привода синхронных генераторов с неявнополюсными роторами применяются газовые и паровые турбины. Стальную поковку с фрезерованными продольными пазами для витков обмотки возбуждения, которые обычно выполнены в виде медных пластин, представляет собой ротор такого генератора. В пазах фиксируются витки, а для снижения потерь мощности и уровня шума, связанных с сопротивлением воздуха шлифуется, а затем полируется поверхность ротора.

По большей части трехфазными делаются обмотки генераторов тока. Подобное сочетание движущихся частей, способных создавать энергию также экономично и непрерывно, встречается в механике редко.

Современный генератор тока является внушительным сооружением, состоящим из медных проводов, стальных конструкций и изоляционных материалов. С точностью до 1 миллиметра изготавливаются важнейшие детали генераторов, которые сами имеют размеры несколько метров.

Источник

Как выбрать электрогенератор

Электричество настолько плотно вошло в нашу жизнь, что мы пользуемся им, практически его не замечая. Степень нашей зависимости от электричества становится заметна, только когда его нет. И тут-то выясняется, что жить без электричества еще можно, а вот жить комфортно – уже нет. В городах отключения электричества редки и кратковременны, поэтому почувствовать все прелести жизни в доиндустриальной эпохе не получится. А вот за городом без электрогенератора порой не обойтись:

— Для строительных работах на участках без электричества приобретение генератора будет намного выгоднее, чем покупка комплекта аккумуляторного инструмента.

— Электрогенератор поможет с ремонтом автомобиля, если в гараже нет электричества.

— Электрогенератор позволит обеспечить привычный уровень комфорта при выезде не природу или на дачу в «глухом углу» без электричества.

— И наконец, электрогенератор может буквально спасти владельца загородного дома от замерзания системы отопления в зимнее время при продолжительном отключении электричества. Да и летом не помешает – насос-то в скважине тоже от электричества работает.

Последний довод на сегодняшний день является самой распространенной причиной покупки электрогенератора. Именно развитие частного домостроения вызвало настоящий бум на рынке электрогенераторов, приведший к сегодняшнему их изобилию. И это неудивительно: потребности у всех покупателей генераторов разные: кто-то хочет запитать от генератора только печку, кто-то – добавить еще насос и холодильник, кому-то генератор нужен для работы включения мощного электроинструмента. Генераторы во всех этих случаях потребуются разные, и внимание следует обратить не только на мощность, но и на остальные характеристики.

Характеристики электрогенераторов

Выходная мощность определяет и возможности генератора (сколько он «потянет» электротехники), и его вес, и его цену.

Поэтому оптимальный метод подбора мощности заключается в том, чтобы определить, какой из реактивных потребителей имеет максимальную пиковую мощность, затем сложить её с мощностью постоянно работающих активных нагрузок. При определении потребителя с максимальной пиковой мощностью, следует уточнить его пусковой коэффициент в руководстве по эксплуатации (если он там есть) – приведенное в таблице значение может сильно отличаться от реального для конкретной модели.

Так, в вышеприведенном примере максимальную мощность потребляет во время пуска погружной насос с 750*7=5250 Вт пиковой мощности. Если принять, что этим насосом является Grundfos SP 1A-28, то согласно руководству, его множитель пускового тока составляет не 7, а всего 3,6. Таким образом, пиковая мощность насоса будет 750*3,6=2700 Вт. Максимальная возможная активная нагрузка в момент включения насоса будет равна 1820 Вт (электронагреватель + холодильник + два насоса). Добавив 2700, получаем 4520 Вт.

Причем полученное значение мощности потребуется только для пуска насоса, постоянная нагрузка на генератор будет меньше, поэтому подбираем генератор не с номинальной, а с максимальной выходной мощностью, соответствующей полученному числу. Максимальная выходная мощность – это мощность, которую генератор способен кратковременно выдать без вреда для себя. В данном случае именно это и надо.

Так что генератор с номинальной мощностью в 4 кВт и максимальной – в 4,5 кВт для приведенного примера вполне подойдет, и будет стоить в 5-10 раз дешевле ранее «подобранного» 10-киловаттного.

Единственная особенность, которую следует учесть при таком способе подбора мощности генератора, это то, что потребители к нему следует подключать постепенно. Ни в коем случае нельзя подключать генератор к сети электропитания дома с включенными электроприборами так, что они получат питание одновременно – это может привести к выходу генератора из строя, особенно, если у него нет защиты от перегрузок.

Вид генератора.

Асинхронный генератор имеет максимально простую конструкцию, его ротор не содержит обмоток (только постоянные магниты), щеточный узел отсутствует. Такой генератор проще в обслуживании, дешевле, легче, меньше подвержен действию пыли и влаги. Еще одно немаловажное достоинство асинхронного генератора заключается в том, что он не боится высоких токов – вплоть до короткого замыкания. Это позволяет использовать генератор для подключения сварочных аппаратов.

Главный недостаток асинхронного генератора – параметры генерируемого им напряжения зависят от нагрузки. Поэтому асинхронные генераторы не рекомендуется использовать для снабжения электроэнергией потребителей, требовательных к её качеству (стабильности частоты и напряжения, формы синусоиды сигнала) – газовых котлов, холодильников, ИБП, циркуляционных и скважинных насосов. Зато невосприимчивость к высоким токам позволяет подключать к асинхронному генератору мощный строительный инструмент, часто работающий с перегрузками.

Синхронный генератор имеет обмотку возбуждения на роторе, запитываемую через щеточный узел. Частота переменного напряжения на выходе синхронного генератора зависит только от частоты вращения ротора и остается постоянной при изменении нагрузки. Это позволяет использовать синхронный генератор для подключения бытовой техники, требовательной к качеству электропитания.

Недостатком синхронного генератора является то, что для поддержания частоты напряжения, двигатель должен вращаться с постоянной скоростью независимо от снимаемой с генератора мощности. Это сильно снижает КПД генератора при падении нагрузки. Для стабильной производительной работы синхронный генератор должен быть постоянно нагружен на 50-80% номинала.

Инверторный генератор может иметь в основе как асинхронный, так и синхронный генератор. Но в отличие от «чистых» синхронных и асинхронных, в инверторном генераторе выходное напряжение сначала выпрямляется, затем преобразуется в переменное с помощью электронной схемы – инвертора.

Это позволяет добиться высокой стабильности частоты и напряжения электропитания без поддержания постоянных оборотов двигателя. Инверторные генераторы допускают работу с малой нагрузкой (расход при этом у них будет намного меньше, чем у синхронных). Однако при номинальной нагрузке КПД инверторных генераторов ниже, чем синхронных.

Часто можно услышать утверждение, что только инверторные генераторы способны обеспечить идеальную форму выходного сигнала при любых условиях работы. И что поэтому газовый котел можно запитать только от инверторного генератора. Это не всегда верно – да, инверторный генератор лучше чем любой другой выдерживает частоту и напряжение при изменениях нагрузки.

Но вот форма сигнала (синусоида) на недорогих инверторных преобразователях изначально далека от идеала. В целях снижения цены сглаживающий фильтр на выходе генератора производитель не ставит, и к потребителю вместо синусоиды идет «лесенка».

Вред такого сигнала неоднозначен – большинство бытовой техники разницы «не заметит», но некоторые электронные приборы (измерительные приборы, газовые котлы, аудио- и видеотехника) могут начать сбоить или вообще откажутся работать.

Хороший инверторный генератор, обеспечивающий «чистую» синусоиду выходного напряжения, будет стоить намного дороже синхронного.

Так что котел можно запитывать не только от инверторного генератора – синхронный генератор скорее даст «чистую» синусоиду, чем дешевый инверторный. И вообще, большинство проблем при подключении котла к генератору возникает не из-за формы сигнала, а из-за незаземленной нейтрали генератора, приводящей к отсутствию «нулевого» провода питания. Для правильной работы схем контроля пламени газовых котлов, на одном проводе питания должна быть фаза 220В, а на другом – 0. Чтобы получить такое питание от однофазного генератора (у которого на каждом из двух выходов по фазе), достаточно заземлить один выходной провод (любой).

Стабилизация напряжения применяется для поддержания параметров электропитания при изменении нагрузки.

Большинство современных синхронных генераторов снабжено AVR – автоматическим регулятором напряжения. Электронная схема AVR контролирует выходное напряжение, и, при его изменении, увеличивает или уменьшает ток обмотки возбуждения. Это позволяет поддерживать выходное напряжение в пределах 220+5% при любых нагрузках.

Асинхронные генераторы стабилизируются с помощью шунтирующих и компаундирующих конденсаторов, помогающих поддержать напряжение при кратковременных его перепадах. Но с сильными и продолжительными перепадами такой стабилизатор не справляется.

Инверторные генераторы в стабилизаторе напряжения не нуждаются – оно и так будет стабильным при любой нагрузке.

Напряжение. Генераторы могут быть как однофазными – для подключения бытовой техники на 220В (230В), так и трехфазными – для подключения более мощной техники на 380В (400В). К трехфазному генератору можно подключить однофазный электроприбор (на нем, как правило, есть отдельные розетки 220В), наоборот – нельзя. Трехфазные генераторы предоставляют больше возможностей, но и стоят дороже.

Многие генераторы также имеют дополнительный выход 12В постоянного тока – такие модели можно использовать для подзарядки автомобильного аккумулятора.

Цикл двигателя. Двухтактные двигатели легче и дешевле четырехтактных, но для заправки большинства из них требуется готовить топливную смесь (добавлять в топливо определенное количество масла). Кроме того, двухтактные двигатели имеют значительно меньший моторесурс – 500-700 часов.

Для резервного генератора, включающегося несколько раз в год, это не критично, но, если генератор приобретается для постоянной работы, лучше выбирать среди четырехтактных. Кроме на порядок большего моторесурса, четырехтактные двигатели отличаются экономичностью и меньшим уровнем шума.

Запуск. Большинство генераторов оборудовано веревочным стартером для ручного пуска двигателя. Наличие электростартера (электрического пуска) может заметно облегчить работу с генератором, но имейте в виду, что электростартер заметно увеличивает цену и вес генератора. Если генератор приобретается для эпизодического использования, то лучше остановиться на модели с ручным пуском – за месяцы простоя аккумулятор, скорее всего, разрядится, и пускать генератор все равно придется вручную.

Электрический пуск аварийных генераторов действительно необходим только в том случае, если предполагается пуск генератора при пропадании сетевого электропитания – установка АВР (автомата пуска резерва) позволит таким генераторам запускаться автоматически. Некоторые генераторы уже снабжены автоматическим пуском.

Вид топлива. Для большинства задач бензиновые генераторы предпочтительнее в силу невысокой цены и небольшого веса. Но если запускать генератор планируется часто и подолгу, то цена топлива становится немаловажным критерием – в этом случае имеет смысл обратить вимание на гибридные газобензиновые генераторы – хоть они и дороже бензиновых, но эта разница быстро окупится за счет меньшей цены газа.

Дизельные двигатели экономичнее бензиновых и имеют больший ресурс. Но весят они намного больше, поэтому дизельным двигателем обычно комплектуются мощные генераторы, предназначенные для продолжительной работы на одном месте.

Варианты выбора генераторов

Инверторный генератор небольшой мощности позволит не чувствовать себя оторванным от цивилизации во время выездов за город – с его помощью можно организовать освещение, подзарядить ноутбук или аккумулятор автомобиля.

Для аварийного питания самой необходимой электротехники будет достаточно недорогого синхронного генератора мощностью 2-4 кВт – этого хватит, чтобы «поддержать на плаву» отопление и водоснабжение частного дома при отключении электроэнергии.

Если вам нужен генератор, чтобы обеспечить питанием электроинструмент на площадках без подведенного электричества, выбирайте среди моделей мощностью 4-6 кВт. Этого хватит, чтобы обеспечить пуск большинства видов ручного электроинструмента.

Генератор мощностью в 7-10 кВт способен полностью обеспечить электричеством большой частный дом.

Гибридные газо-бензиновые генераторы позволяют в разы снизить цену киловатт-часа – при частом использовании генератора это дает значительную экономию.

Источник