Что такое генератор

Чтобы понять, что такое генератор, прежде всего, следует разобраться, для чего он предназначен и по какому принципу работает.

Разновидности электрогенераторов для выработки электроэнергии

Наиболее распространён электрогенератор – устройство для выработки электрической энергии путём преобразования механической.

Действие заключается в наведении ЭДС в перемещающемся в магнитном поле проводнике. При этом на его концах появляется напряжение, а при их подключении к нагрузке появляется электрический ток.

Если замкнуть через контактные кольца внешнюю цепь с нагрузкой, через неё будет проходить электрический ток, что будет видно по показаниям электрического прибора.

Образование в проводнике электрического тока при его вращении в магнитном поле

Направление движения электрического тока определяется, если отогнуть в сторону большой палец правой руки. В ладонь будут входить магнитные силовые линии, большой палец показывает направление, куда движется проводник, а остальные пальцы – направление течения индукционного тока.

Рамка связана со щётками, которые скользят по коллектору из двух полуколец. Таким путём система через подвижные контакты преобразует переменный ток.

Когда рамка находится в горизонтальном положении, направление ЭДС меняется на противоположное. За счёт этого ток во внешней цепи поддерживается постоянным. Он является пульсирующим, достигая максимума в вертикальном положении рамки, и нулевым – в горизонтальном (показано на рисунке выше – а). Пульсация уменьшается, если установить 2 витка перпендикулярно друг к другу, а количество пластин коллектора увеличить до четырёх (показано на рисунке выше – б).

Генератор постоянного тока

Первый генератор был изготовлен на постоянном токе, довольно долго выработка электрической энергии производилась с его применением.

Особенности конструкции

Магнитное поле вырабатывается индуктором, а та часть, где наводится ЭДС, называется якорем. Индуктором является неподвижная часть, называемая статором. Он делается на постоянных магнитах или в виде электромагнита из двух и более полюсов.

Генератор на постоянных магнитах является маломощным и на практике применяется редко. При этом пространство между магнитами обладает большим сопротивлением. В большинстве конструкций генераторов применяются электромагниты.

Генератор с электромагнитным возбуждением

Якорь выполняется массивным, с пазами для обмотки. Его витки подключают последовательно друг с другом через коллекторные пластины. В результате образуются соединённые между собой источники ЭДС, работающие сообща. Есть также другие способы подключения.

При отсутствии нагрузки магнитное поле статора располагается симметрично относительно вертикальной оси. Когда в якорной цепи появляется электрический ток, образуется магнитный поток, который преобразует поле статора, поворачивая его в направлении вращения. Это негативно отражается на работе генератора, поскольку вызывает искрение контактной группы. Уменьшить его можно поворотом щёток в направлении вращения. Искажение поля зависит от силы тока и щётки требуется перемещать в разные положения. Кроме того, уменьшается индуктируемая ЭДС.

Ослабить реакцию якоря можно следующими способами:

• установка дополнительных полюсных пар;
• закладка обмоток компенсации в главные полюса.

В результате реакция якоря нейтрализуется. Установка обмоток компенсации делает конструкцию генератора сложней.

Как выглядит генератор с добавочными полюсами

Параметры генератора

Индуцируемая ЭДС определяется следующими параметрами:

E = CFω, где

• F – основной магнитный поток;
• ω – частота вращения;
• С – коэффициент, учитывающий особенности устройства.

Напряжение на выходе составляет:

U_г = E — I_яR_я, где

• I_я – ток якоря,
• R_я – сопротивление якорной цепи.

Первый основной параметр генератора – это его мощность:

P_г = I_гU_г, где

•  I_г – ток нагрузки.

Важным показателем является способ возбуждения. Он может быть независимым, если обеспечивается дополнительным источником питания.

Способы подключения обмоток возбуждения: а) способ возбуждения, который обеспечивается дополнительным источником питания; б) параллельное самовозбуждение; в) последовательное самовозбуждение; г) смешанное самовозбуждение

Самовозбуждение обмотки создаётся за счёт наличия остаточного магнетизма в сердечнике якоря, индуцирующего в процессе вращения незначительную ЭДС.

Несмотря на то, что магнитный поток в начальный момент мал, он усиливает поток на полюсах, и ток начинает расти, пока не достигнет номинала.

Различают три типа генераторов с самовозбуждением:

1. Параллельное – ток, вырабатываемый в якорной обмотке большей частью проходит в главную силовую цепь, и только незначительная часть – по обмотке возбуждения.
2. Последовательное – по обмотке якорных полюсов и по силовой цепи проходит весь вырабатываемый генератором ток.
3. Смешанное – две обмотки возбуждения подключены параллельно и последовательно.

Генератор переменного тока

Устройство служит для преобразования механической энергии в переменный ток. Большая часть моделей имеют вращающиеся электромагниты (роторы) внутри неподвижных обмоток (статоры).

Принцип действия

За один оборот электромагнита ЭДС два раза меняет своё направление.

На рисунке ниже изображена схема генератора на постоянном магните, вращающегося внутри контура из проволочной рамки. Активно здесь работают только вертикальные части, пересекаемые линиями магнитного поля.

Схема генератора переменного тока

Индуктируемые ЭДС каждой стороны складываются, и её значение определяется из соотношения:

e = 2Blv sin ωt = ωF_m sin ωt, где

• В – индукция магнитного поля, Тл;
• l – длина вертикальной стороны рамки;
• v – линейная скорость;
• t – время;
• F_m – максимальный магнитный поток.

Индуктируемая ЭДС изменяется по синусоидальному закону, где

• ωF_m – амплитуда ЭДС,
• ωt – фаза ЭДС.

Он является вращающимся электромагнитом, а в обмотке неподвижного статора наводится ЭДС.

Электромагнитное поле создаётся подводом небольшого тока к обмотке ротора. Для этого применяется скользящая контактная группа, подключённая к обмотке. Ток подводится от аккумулятора, другого источника или в результате самовозбуждения.

Потребление энергии со статора является максимальным, и отводить ток удобно с неподвижных обмоток.

Статор собран из листовой трансформаторной стали. Он имеет пазы, куда вкладывается обмотка.

Трехфазный генератор

Количество фаз в генераторе может быть от одной до трёх. Однофазные модели применяются при небольшом потреблении энергии. Трехфазные обмотки соединяются в звезду или треугольник. Самой распространённой схемой является «Звезда» с нейтральным проводом.

Схема подключения нагрузки к генератору «Звезда»

Слева изображены обмотки генератора, где стрелками указаны направления ЭДС Е_А, Е_В, Е_С. Справа находятся нагрузки Z_A, Z_B, Z_C, также соединённые звездой.

Напряжение между фазами и нейтралью обозначены U_A, U_B, U_C, а между двумя фазами – U_AB, U_BC, U_CA.

С генератора токи I_A, I_B, I_C текут на нагрузки и возвращаются через нейтраль назад.

Синхронный и асинхронный генераторы

Синхронный генератор содержит ротор с обмоткой возбуждения, на которую через коллектор подаётся напряжение постоянного тока.

При вращении ротора в статорной обмотке возбуждается однофазное или трёхфазное напряжение. По ней протекает электрический ток, при изменении которого может измениться нагрузка на валу ротора. При этом меняется частота с напряжением. Для поддержания их стабильными предусмотрено регулирование в виде обратной связи через обмотку ротора по напряжению и току.

Устройство генератора: а) синхронный; б) асинхронный

Ротор асинхронного генератора выполнен короткозамкнутым, в виде «беличьей клетки». На него не подаётся напряжение, а электрический ток в обмотке индуцируется за счёт влияния остаточного магнетизма. При этом образуется вращающееся магнитное поле, которое наводит в статорной обмотке напряжение.

Синхронный генератор обладает способностью поддерживать точные значения напряжения и частоты. У асинхронного генератора эти показатели изменяются в широких пределах. Он больше боится перегрузок в установившемся режиме и имеет склонность к перегреву обмотки статора.

Несмотря на недостатки, он более распространён из-за простоты конструкции, неприхотливости и относительной дешевизны.

Видео про линейный генератор

Про конструкцию, особенности и принцип работы линейного генератора можно узнать из данного видео.

Генератор является важным источником электрической энергии, от которого зависит работа всех электрических приборов. При отсутствии или сбоях в центральном электроснабжении целесообразно приобрести небольшой генератор для частного дома. Главным параметром устройства является мощность, которая не должна быть меньше потребляемой. Генератор требует качественного сервисного обслуживания, ухода и правильной эксплуатации.