Достоинства и недостатки генератора переменного тока

Синхронные и асинхронные генераторы

Бензиновые и дизельные электростанции состоят из двух основных блоков – двигателя и генератора, объединенных на одной раме.

В бытовых электростанциях в большинстве случаев используются двигатели внутреннего сгорания. В двигателе внутреннего сгорания энергия сгорания топлива преобразуется в механическую работу (вращение вала). Бытовые газовые электростанции представляют собой бензиновые, адаптированные для работы на газе.

Генераторы преобразуют механическую энергию в электрическую.

Бывают двух типов:

Синхронные
Асинхронные.

Но сначала, Принцип работы электрического генератора

Принцип действия любого генератора основан на явлении электромагнитной индукции. Преобразование механической энергии двигателя (вращательной) в энергию электрического тока поясняет следующая картинка:

Если в однородном магнитном поле равномерно вращается рамка, то в ней возникает, переменная Э.Д.С. (электродвижущая сила), частота которой равна частоте вращения рамки. Будем ли мы вращать рамку в магнитном поле, или магнитное поле вокруг рамки, либо магнитное поле внутри рамки, результат будет один – Э.Д.С. , изменяющаяся по гармоническому закону.

Видео, принцип работы электрического генератора тока.

Отличительные особенности синхронных и асинхронных генераторов:

Синхронный генератор

Это синхронная электрическая машина, работающая в режиме генератора в которой частота вращения магнитного поля статора равна частоте вращения ротора. Ротор состоит из обмоток при подаче напряжения на которые появляется магнитное поле с магнитными полюсами и создает вращающееся магнитное поле, которое пересекая обмотку статора, наводит в ней ЭДС.

В зависимости от типа обмотки, ротор может быть короткозамкнутым либо фазным. Вращающееся магнитное поле, созданное вспомогательной обмоткой статора, индуцирует на роторе магнитное поле, которое вращаясь вместе с ротором, наводит ЭДС в рабочей обмотке статора, так же как и в асинхронном генераторе

Ротор, при запуске электростанции , создает слабое магнитное поле, но с увеличением оборотов, увеличивается и ЭДС в обмотке возбуждения. Напряжение с этой обмотки через блок автоматической регулировки (AVR) поступает на ротор, контролируя выходное напряжение за счет изменения магнитного поля.

Например, подключенная индуктивная нагрузка размагничивает генератор и снижает напряжение, а при подключении емкостной нагрузки происходит подмагничивание генератора и повышение напряжения. Это называется “реакцией якоря”.

Для обеспечения стабильности выходного напряжения необходимо изменять магнитное поле ротора путем регулирования тока в его обмотке ( для синхронных генераторов), что и обеспечивается блоком AVR ( Автоматический вольт регулятор).

Благодаря такому способу регулировки, вне зависимости от изменения тока нагрузки и оборотов двигателя электростанции стабильность выходного напряжения генератора остается очень высокой, на уровне ±1%.

Преимуществом синхронных генераторов является высокая стабильность выходного напряжения, а недостатком – возможность перегрузки по току, так как при завышенной нагрузке, регулятор может чрезмерно повысить ток в обмотке ротора, что может привести к выходу из строя.

Еще к недостаткам синхронных генераторов можно отнести наличие щеточного узла, который рано или поздно придется обслуживать, правда в настоящее время этот недостаток практически устранен.Так как, современные синхронные генераторы являются в большинстве своем без щеточными, их ротор не имеет коллекторно-щеточного узла, а ток в обмотке возбуждения (в роторе) индуцируется за счет переменного магнитного поля, создаваемого основной и/или дополнительной обмоткой статора.

Асинхронный генератор

Асинхронная электрическая машина работающая в режиме торможения, ротор которой вращается с опережением, но в том же направлении что и магнитное поле статора.

В асинхронном генераторе ротор выполнен виде постоянного магнита или электромагнита. Число полюсов ротора может быть два, четыре и т.д., но кратно двум.

В бытовых бензиновых и дизельных электростанциях используется, как правило, ротор с двумя полюсами, чем и обусловлена частота вращения двигателя электростанции 3000 об/мин. В дизельных электростанциях с частотой вращения 1500 об/мин используется четырехполюсной асинхронный генератор.

Вращающееся магнитное поле остается всегда неизменным и не регулируемым, вследствие чего напряжение и частота на выходе генератора зависит от частоты оборотов ротора и следовательно от стабильности вращения двигателя электростанции.

Несмотря на простоту обслуживания, малую чувствительность к короткому замыканию и невысокую стоимость, асинхронные генераторы применяются достаточно редко, так как имеются ряд недостатков: высокая себестоимость, зависящий от активно-индуктивного характера нагрузки; ненадежность работы в экстремальных нагрузках; зависимость выходного напряжения и частоты тока от устойчивости работы двигателя и т.д.

Генераторы тока: переменного и постоянного

Отсутствие электричества сегодня не становится проблемой как в быту, так и в промышленности. Широкий ассортимент генераторов тока позволяет решить проблему быстро, с минимальными трудозатратами. Резервные источники питания незаменимы в современной реальности — всему нужна электроэнергия. Гарантии, что подачу электроэнергии не прекратят в самый неподходящий момент – не может дать ни она организация. Поэтому резервная электростанция на базе генератора постоянного или переменного тока — важное, а зачастую незаменимое оборудование, которое обеспечивает непрерывность производства, комфорт в бытовой сфере, безопасность и непрерывность технологических процессов.

Что такое генератор тока

Когда нет электрической энергии, требуется получить её из другого источника. Наши предки, например, использовали силу ветра, течения рек. Впрочем, сегодня подобную энергию применяют, если не жалко времени и сил на возведение плотин и ветряков. Генераторы тока стандартно «работают» на топливе, за счет вращения обмотки в магнитном поле преобразовывая механическую энергию вращения в электричество. Ток возникает в замкнутом контуре, протекает по обмоткам, когда к электростанции подключается потребитель — именно так работает генератор тока.
В зависимости от того, как вращается магнитное поле (при неподвижном или подвижном проводнике) различают два типа этих электрических машин — генераторы постоянного или переменного тока.

В чем разница между постоянным и переменным током

Вспоминаем уроки физики. Электроток — заряженные микрочастицы, которые «бегут» в определенном направлении. У постоянного тока частицы движутся по прямой, в одном направлении от минуса к плюсу. У переменного движение электронов идет по синусоиде с определенной частотой (полярность между проводами меняется несколько раз за заданный промежуток времени).

Разница между движением заряженных частиц заложена в принцип работы генераторов электрического тока. Для простого обывателя можно сказать так: в розетке — переменный, в батарейке — постоянный. В качестве частного случая, с очень большим упрощением, можно сказать так: всё что с напряжением до 48 Вольт — всё постоянный, всё что от 100 до 500 Вольт — переменный.

Автор статьи и специалисты Mototech прекрасно осведомлены о том, что и постоянный ток может иметь практически любое напряжение (например, 380 Вольт на шине постоянного тока в ИБП), так же как и переменный ток для узких задач.

Несмотря на то, что конечный результат работы электростанций один — потребитель получает электроэнергию, методы преобразования механической энергии в электродвижущую силу и электричество различаются. Элементы (комплектующие) также отличны.

Внешней силовой рамы, изготовленной из высокопрочных сплавов. Корпус рассчитан на интенсивную нагрузку, возникающую при передаче магнитного потока от полюса к полюсу. Проще говоря: чугунный кожух не «пробивается» разрядами тока.
Магнитных полюсов, закрепленные на корпусе болтами или шпильками. На «плюс» и «минус» монтируется обмотка.
Статора. Остов с катушкой возбуждения изготавливают из ферромагнитных материалов, на сердечнике устанавливают магнитные полюса, которые и образуют магнитное поле.
Вращающегося ротора (якоря). Задача магнитопровода — снизить вихревые токи и повысить КПД генератора постоянного тока.
Коммутационного узла, оснащенного щетками (обычно изготовленными из графита) и коллекторными пластинами из меди.

Полюсов может быть несколько (число минусов и плюсов всегда идентично). Поэтому сегодня потребитель может купить электростанцию необходимой мощности и обеспечить электричеством как дом, так и промышленный объект.

Конструктивной разницы в статоре и роторе между устройствами постоянного и переменного тока нет. Практически идентичны и силовые рамы. Существенное отличие в комплектации коммуникационного узла. Каждый выход механизма помимо щеток оснащен токопроводящими кольцами. «Закольцованный» ток движется по синусоиде и несколько раз в секунду достигает пика мощности. По типу устройства, характеристикам и принципу работы современные генераторы переменного тока делятся на синхронные и асинхронные.

Специфика синхронного устройства: скорость вращения ротора равна скорости вращения магнитного поля в рабочем зазоре.

Отсутствие электрической связи с ротором;
Вращение якоря под воздействием остаточного механизма статора;
Измененная электрическая нагрузка на статоре.

Такие агрегаты могут быть однофазными и трехфазными.

Рамка вращается вокруг оси, расположенная на корпусе обмотка регулярно проходит через «минус» и «плюс» полюсов.
Каждый раз при достижении разнополюсных точек, происходит смена направления тока на противоположное.
Выходной цепи благодаря полукольцу, расположенному на коллекторном узле, создается постоянный ток.
С помощью щеток с положительного или отрицательного полюса снимается потенциал и по схеме передается потребителю.

Такая схема работает в простейшей конструкции, с одним плюсом и минусом, если положительных/отрицательных точек больше, ЭДС и ориентировочное количество электроэнергии рассчитываются по формуле.

Небольшой вес и компактность агрегата;
Возможность использовать в экстремальных условиях;
Отсутствие потерь, связанных с вихревыми токами.

Минус: на большую мощность при использовании устройств такого типа рассчитывать не стоит.

Устройства такого типа преобразуют механику в электроэнергию, вращая проволочную катушку в магнитном поле. Ток вырабатывается, когда силовые линии пересекают обмотку. До тех пор, пока магнитное поле соприкасается с проводником, в нем индуцируется электроток.
Идентичный принцип действует и в случае, если рамка вращается относительно магнита, пересекая силовые линии.

В электростанциях с синусоидальной подачей тока отсутствует реактивная мощность. То есть весь запас электроэнергии (с вычетом потерь на проводах) расходуется на нужды потребителя, а не на поддержание работоспособности устройства.

Большая выходная мощность при одинаковых габаритах устройств постоянного и переменного тока;
Выработка электроэнергии на низких скоростях вращения ротора;
Проще конструкция и схема, соответственно, меньше узлов, нуждающихся в техобслуживании и ремонте;
Конструкция токосъемного узла отличается большей надежностью;
Больше эксплуатационный ресурс и меньше эксплуатационные затраты.

Дополнительное преимущество: агрегаты с трехфазным питанием можно использовать для питания высоковольтных потребителей.

Оба вида генераторов популярны в бытовой и промышленной сфере. Станции постоянного тока нашли применение в сфере транспорта. Так, в трамваях, троллейбусах обычно установлены двигатели, работающие на постоянном токе. Низковольтные устройства незаменимы для питания систем освещения в местах, где нет доступа к централизованной подачи электроэнергии. Например, на борту самолетов. Если большая мощность — не основополагающая характеристика электростанции, то генераторы постоянного тока отлично справятся с питанием оборудования в учебных, медицинских учреждениях, лабораториях. Полноценные дизельные электростанции постоянного тока используются на аэродромах для зарядки и питания бортовых систем летной техники.

Электростанции переменного тока необходимы практически для всего остального. 99% того, что питается от централизованной сети — это устройства переменного тока. Соответственно, аварийное питание этих объектов так же должно осуществляться от соответствующего оборудования.

Мototech специализируется на продаже электростанций различного типа. Поможем выбрать оптимальный вариант электростанции мощностью от 5 до 6000 кВА и конечно же, это будут электростанции переменного тока. Мы обеспечим сопроводительные строительные и электромонтажные работы, грамотную пуско-наладку и обслуживание устройств. С клиентами работают сотрудники с энергетическим образованием, поэтому квалифицированную информацию, ответы на вопросы и правильные расчеты характеристик в соответствии с вашими потребностями гарантируем.

Изучаем генераторы постоянного и переменного тока

Работа электронного оборудования, бытовых электрических сетей и автомобилей прямо зависит от генераторов. Статья подробно раскроет тему, что такое генераторы постоянного и переменного тока. Будет описан каждый тип этих устройств, разновидности, принцип работы.

Принцип работы

Простейший генератор переменного тока состоит из следующих частей:

2 постоянных разнополюсных магнита.
Рамки из медной проволоки.
Контактных колец, с которых снимается полученное напряжение.

Работает простой альтернатор по следующему принципу:

Постоянные магниты создают магнитное поле.
При вращении медной рамки, эти поля пересекаются самой рамкой.
При пересечении полей, на рамке образуется электричество.
При отсутствии пересечения, напряжение пропадает.

Рамка, осуществляя одно полное вращение, дважды пересекает магнитное поле. Таким образом направленность ЭДС меняется на противоположную. Смена направленности ЭДС приводит к возникновению синусоидального или переменного тока.

В таком эксперименте прослеживается не только смена направленности ЭДС, но и полная потеря электрического напряжения. Для того чтобы этот эффект сошел на нет, генератор переменного тока оснащается приводом. Привод используется для постоянного вращения якоря генератора, с целью минимизации потери напряжения и поддержания его на заданном уровне. Генераторы приводятся в действие несколькими способами. Это может быть двигатель внутреннего сгорания, передаточное вращение от энергии воды, пара, сжигания нефти или газа, энергия ветра.

Генераторы переменного тока

Генераторы переменного тока устроены и работают по принципу простейшего экспериментального альтернатора. Эти устройства состоят из следующих элементов:

Ротор. Представляет собой металлический сердечник, надетый на основной вал генератора. Ротор может быть оснащен обмоточным проводом или не иметь его. Все зависит от типа устройства. Ротор подвижная часть устройства. Приводится в движение за счет приводного механизма (двигателя, турбины, лопастей).
Статор. Неподвижная часть, которая так же оснащена медной обмоткой. Обмотка помещена в специально прорезанные пазы, имеет изоляцию между металлическим корпусом и самим проводом.
Контактные кольца с щетками или коллектором. Эти элементы используются для подачи постоянного напряжения к обмоткам для их первоначального возбуждения. Также коллектор используется в качестве выпрямителя. Он предотвращает смену направленности.

Работает такой генератор по следующему принципу:

Ток возбуждения поступает на обмотку статора, который является постоянным магнитом. Далее происходит образование магнитного поля.
Вращающийся ротор с обмоткой также становится постоянным магнитом. Из-за этого создается ЭДС между статором и ротором.
Во время вращения происходит пересечение магнитного поля, за счет чего образуется переменный ток.
Ток поступает через коммутационный щеточный узел в подключенную цепь.

Генераторы переменного тока имеют множество разновидностей. Они отличаются по:

Классификации. Могут быть синхронными и асинхронными. Синхронные зависимы от частоты вращения и частоты переменного ЭДС. Такие генераторы легко определить визуально. Их подвижный ротор имеет обмотку. Асинхронные не имеют обмотки на роторе. Они не зависят от частоты вращения, более устойчивы к изменению частоты оборотов и не подвержены быстрому нагреву во время коротких замыканий.
По способу возбуждения. Выделяются 4 основных типа: от постороннего источника питания; самовозбуждающиеся; от более мощного генератора, который работает совместно с основным; от постоянного магнита.
По количеству фаз. Различаются одно-, двух- и трехфазные модели. Самыми распространенными являются трехфазные типы устройств.
По способу соединения обмотки статора. Основных схем существует 2 — это треугольник и звезда. Отличаются эти две схемы способом соединения. Когда используется «звезда», то все концы обмоток соединены в одной точке. «Треугольник» — предусматривает последовательное соединение всех концов обмотки.
По конструкции. Генераторы переменного типа могут быть: с неподвижным статором или с неподвижным ротором.
По способу преобразования энергии.

Также генераторы могут отличаться по способу эксплуатации. Они бывают стационарными или переносными.

Преимущества

Преимущество генераторов переменного тока заключается в следующем:

Возможность получения электрического тока при использовании различных приводов. Таким образом есть возможность преобразования практически любого вида энергии в электрический ток.
Выработка тока даже при малых оборотах вала.
Отсутствие ограничителей, регуляторов и реле.
Токосъемное устройство значительно надежнее.
Высокий срок службы.
Низкие затраты на производство.
Подача переменного напряжения как в сложно разветвленные сети, так и к отдельным бытовым потребителям.

Достоинство генераторов переменного тока состоит еще и в том, что на их основе можно легко создать устройство для выработки постоянного тока.

Недостатки таких устройств следующие:

Зависимость от частоты вращения.
Подверженность нагреву обмотки в результате возникновения нагрузки.
Сложный ремонт и замена обмотки.
Потребность в выпрямителе тока.

Генераторы постоянного тока

Устройство генератора постоянного тока ничем не отличается от устройства, которое вырабатывает переменный ток. Первые генераторы постоянного тока отличались только наличием полуколец для отвода электрического тока. Принцип их работы заключался в том, что щеткой снималось напряжение только определенного полюса. Например, одна снимала только «+», а вторая только минус. Таким образом в цепь передавался постоянный ток. Главным недостатком таких устройств является высокая зависимость напряжения от частоты оборотов якоря. При снижении оборотов напряжение падает, а при увеличении стабилизируется на необходимом уровне. Но высокое число оборотов приводит к разбалансировке якоря, быстрой выработке самих щеток и удерживающих якорь подшипников.

Для получения постоянного тока с малым напряжением используются генераторы с выпрямителем или диодным мостом. Конструктивно этот механизм относится к генераторам асинхронного типа.

Принцип преобразования переменного тока в постоянный на примере автомобильного генератора постоянного тока:

Генератором вырабатывается переменный ток. При этом устройство имеет трехфазную обмотку, соединенную по схеме «звезда».
С каждой фазы ток поступает на один из 6 диодов, из которых состоит мост. За 1 период в преобразовании задействуется 2 диода для каждой фазы.
Смена потенциала тока на каждой фазе заставляет диоды пропускать ток только в определенном направлении.

Таким образом происходит сглаживание синусоиды. Через открытую сторону каждого диода проходит только ток положительного значения. На выходе с диодов снимается только положительное значение или «+». В схеме может присутствовать 6 или 8 диодов. Каждая пара диодов называется плечом. 8 полупроводников используются для схемы типа «звезда». Дополнительная пара подключается к нулевому контакту на статоре. Такие выпрямители более мощные. Они обеспечивают примерно на 15 % больше напряжения во время работы на холостом ходу.

Также существуют схемы, в которых может быть задействовано до 11 диодов. Такие генераторы получают питание регулятора и обмоток за счет дополнительных пар полупроводников.

В таких генераторах имеется электронное реле выпрямителя. Это устройство обеспечивает контроль выработанного напряжения, сглаживает скачки напряжения, предотвращает нагрев обмотки и возникновение нагрузок при коротких замыканиях.

Отсутствие зависимости от перепада оборотов вала.
Выработка только постоянного напряжения.
Возможность регулировки выработанного напряжения.

Недостаток таких механизмов только в разбалансировке вала и стирании щеток при больших, неконтролируемых оборотах.

Различия

Далее необходимо будет разобраться, в чем основные отличия генераторов переменного и постоянного тока. Они заключаются в следующем:

Генератор постоянного тока оснащается полукольцом для изменения направленности тока.
Для получения постоянного напряжения может использоваться диодный мост.
Необходимость использования реле регулятора.
Также есть отличие при зависимости от частоты оборотов приводного механизма.

Например, автомобильный генератор не может заряжать аккумулятор при работе на холостом ходу. В этом режиме двигатель машины вращается с частотой 800 оборотов/мин. Таких оборотов не хватает, чтобы выработать зарядный ток достаточной мощности.

Генератор постоянного тока оснащается полукольцом для изменения направленности тока.
Для получения постоянного напряжения может использоваться диодный мост.
Необходимость использования реле регулятора.
Также есть отличие при зависимости от частоты оборотов приводного механизма.Например, автомобильный генератор не может заряжать аккумулятор при работе на холостом ходу. В этом режиме двигатель машины вращается с частотой 800 оборотов/мин. Таких оборотов не хватает, чтобы выработать зарядный ток достаточной мощности.
Использование соединения типа «треугольник» не используется в генераторах постоянного напряжения. Причина кроется в том, что происходит скачкообразное изменение фазных ЭДС во времени. В электромашинах переменного типа такие изменения более сглажены.
Устройства, вырабатывающие электричество, не имеют особой конструктивной разницы. Но генераторы постоянного типа требуют большего контроля со стороны человека. Электромашины переменного типа более надежны, требуют меньшего вмешательства, так как часто не оснащаются сложным электронным оборудованием для регулировки и контроля напряжения.
Переменное напряжение вырабатывается при меньших затратах на медную обмотку, при этом габаритные размеры таких генераторов могут быть значительно меньше.
Для выработки зарядного тока, генератор должен работать через передаточный механизм. Только так можно добиться мгновенной выработки нужного значения при малых оборотах.

Использование электрических машин, вырабатывающих постоянный ток не является целесообразным. Это связано с тем, что они менее надежные. Гораздо менее затратными являются устройства для выработки переменного напряжения, которые оснащены выпрямителями. Такой механизм может работать практически на любых оборотах с сохранением нужного напряжения и имеет защиту от перегрузок. Габариты такого устройства будут намного меньше, при том что выходная мощность устройств будет одинаковой.

Заключение

Переменные и постоянные генераторы имеют схожую конструкцию. Отличаются они только необходимостью преобразования тока из одного значения в другое. Генераторы постоянного тока при этом имеют более сложную схему, и во время их работы требуется контроль со стороны человека.