Основные части генератора переменного тока. Схема соединения «звездой». Выработка электрической энергии городов

Автомобильный генератор - один из важнейших агрегатов в машине. Его функция заключается в том, чтобы вырабатывать и поставлять электроэнергию во все узлы, нуждающиеся в постоянном потреблении тока. Кроме того, он обеспечивает заряд аккумулятора во время старта автомобиля и в процессе рабаты двигателя.

Далее рассмотрим, из чего состоит электрогенератор в современных машинах, каков принцип работы и насколько важно содержать его в полной исправности. А также разберем какие есть разновидности приборов, применяемых в современных автомобилях.

Основные функции генератора переменного тока

Работа прибора заключается в преобразовании механической энергии, вырабатываемой коленвалом в электрический ток. В результате обеспечивается питание всех приборов, нуждающихся в электроэнергии. Электрическая энергия накапливается в аккумуляторе автомобиля. В обычном режиме именно он обеспечивает питание нуждающихся в токе систем.

Но при запуске машины именно стартер является основным потребителем энергии. Сила тока достигает сотен ампер, а напряжение в сети резко падает. Именно генератор в этот момент становится основным источником тока. Аккумуляторная батарея вырабатывает нестабильный ток, который не может обеспечить постоянное напряжение в электросети автомобиля.

Генератор тока является своего рода подстраховкой, так как именно он обеспечивает выработку и подачу электроэнергии во время резких скачков напряжения. Это может быть не только запуск двигателя, но и включение фар, переключение передач, а также начало работы дополнительных систем.

Кроме того, прибор обеспечивает заряд аккумуляторной батареи, которая так же важна для полноценной работы автомобиля.

Принцип работы

Существует два вида генераторов: постоянного и переменного тока. На большинстве современных автомобилей устанавливается второй тип генераторов. Они характерны тем, что магнитопровод и проводник у них неподвижны. Вращается только постоянный магнит, при вращении которого образуется ток. Это происходит потому, что контур катушки пронизывается переменным по величине и направлению магнитным потоком. В результате происходит равномерное нарастание и убывание энергии.

Таким образом, при прохождении мимо полюсов магнита наконечника магнитопровода образуется переменный по своей величине и направлению ток. В катушке он тоже меняется. Именно поэтому ток называется переменным. Конструкция агрегата позволяет ему вырабатывать достаточное количество электроэнергии даже при относительно медленном вращении, так как он имеет большое количество катушек и роторов, а вместо обычного магнита в нем установлен электрический.

Для всех моделей принцип работы генераторов практически одинаковый. Меняться могут лишь некоторые составляющие прибора, обеспечивающие выработку большего количества электроэнергии.

Как работает генератор переменного тока

Для тех, кто хотя бы немного разбирается в принципах выработки и распределения электроэнергии все предельно просто. В автомобиле имеется две электрические цепи: первичная и вторичная.

Между первичной и вторичной цепью стоит регулятор напряжения. Он вычисляет уровень напряжения во вторичной цепи, а в зависимости от этого задает параметры для первичной. Без регулятора напряжения в автомобиле мог бы контролироваться уровень напряжения и количество вырабатываемой электроэнергии.

Если напряжение в сети резко падает, на его показатели реагирует регулятор, и ток в цепи обмотки возбуждения повышается. В результате происходит увеличение магнитного поля, внутри электроприбора вырабатывается большее количество электроэнергии. Напряжение внутри механизма будет повышаться до тех пор, пока его рост не остановит регулятор.

Когда уровень тока во всей сети выравнивается, регулятор снова дает сигнал об увеличении напряжения в генераторе до нужного уровня. Таким образом, работа генератора напрямую зависит от количества потребляемой всеми системами автомобиля электроэнергии. А контролирует количество вырабатываемой энергии регулятор напряжения.

Важно! Работа генератора не зависит от оборотов двигателя. Если возникают сбои в электросети автомобиля, это связано либо с проблемами в самом генераторе, либо с неисправностью регулятора напряжения, но никак не с проблемами в работе двигателя. Устройство генератора позволяет вырабатывать нужное количество электроэнергии даже при небольших оборотах агрегата.

Ниже можно просмотреть видео с доступным пояснением схемы работы генератора переменного тока:

Как приводится в действие генератор

Генератор напряжения в автомобиле выполняет функцию преобразователя механической энергии в электрическую. Механическая энергия продуцируется от двигателя автомобиля. Устройство генератора выполнено таким образом, что шкив коленчатого вала передает движение к шкиву генератора. Между ними имеется ременное крепление, которое и обеспечивает эту передачу.

Все современные автомобили оснащены поликлиновыми ремнями, которые имеют хорошую гибкость и позволяют устанавливать на генераторах шкивы малого диаметра. А чем меньше диаметр этого узла, тем больше агрегат может вырабатывать энергии. Такая взаимосвязь обеспечивает высокие передаточные отношения, которые отличают высокооборотные генератора.

Из этого можно сделать вывод, что применение новых материалов и технологий в производстве генераторов постоянного и переменного тока позволяют увеличивать их производительность. Это весьма актуально для высокотехнологичных автомобилей с их повышенным потреблением электроэнергии.

Устройство генератора

Устройство генератора не слишком изменилось ос времен изобретения первых электрических механизмов постоянного и переменного тока, применяемых для продуцирования электроэнергии в автомобилях. Этот агрегат имеет следующее устройство:

корпус;
две крышки с отверстиями для вентиляции. Алюминиевые крышки стягиваются между собой тремя или четырьмя болтами;
ротор, вращающийся в двух подшипниках и приводящийся в движение при помощи шкива;
ток на обмотку электромагнита подается двумя медными кольцами и графитовыми щетками;
они, в свою очередь, соединяются с реле-регулятором, который и обеспечивает контроль за уровнем выработки электроэнергии внутри агрегата. В зависимости от модификации, реле может быть либо встроено в корпус, либо выносится за его пределы.

Все современные приборы оснащены вентиляторами охлаждения, которые не дают устройству перегреваться. Генераторы крепятся непосредственно к передней части двигателя при помощи специальных кронштейнов.

Статор генератора состоит из сердечника, обмотки, пазового клина, паза и вывода для соединения с выпрямителями. Ротор состоит из полюсной системы. Эти компоненты находятся в корпусе, а их работа и взаимодействие является основой для выработки электроэнергии внутри устройства.

Щеточный узел помещает в себе щетки, или скользящие контакты. Они могут быть многографитными или электрографитными. Щеточные узлы передают постоянный ток на вращающийся якорь, выступающий в роли постоянного магнита. Но эти же щетки являются слабым звеном данной конструкции, так как требуют постоянного обслуживания, чистки и замены изношенных деталей.

Устройство автомобильного бесщеточного генератора

Бесщеточный тип устройства на сегодня является самым распространенным, так как он является наиболее надежным и не требует постоянного обслуживания. Как и любой другой прибор, он состоит из двух узлов:

В отличие от щеточных механизмов, здесь применяется компаундная регулировка выдаваемого напряжения. Оно реализуется за счет того, что оси обмоток смещены на 90 градусов. В результате при увеличении нагрузки магнитное поле ротора смещается в сторону основной обмотки, и вырабатываемая в ней ЭДС повышается. Напряжение, в свою очередь, стабилизируется.

Такое устройство механизма имеет следующие преимущества:

при работе устройства не образуется угольная пыль, являющаяся основной проблемой для щеточных генераторов;
после определенного срока эксплуатации не требуется замена щеток;
уменьшенное количество механических конструкций значительно повышает надежность прибора и минимизирует затраты на его обслуживание;
прибору не страшны неблагоприятные погодные условия;
такие приборы имеют простую конструкцию, а значит и стоят они дешевле.

Бесщеточные генераторы достаточно популярны, несмотря на то что они однофазные и имеют невысокую КПД. Однако данный их недостаток устраняется применением систем с электронным регулированием и независимым возбуждением.

Как устроен генератор постоянного тока

Прибор постоянного тока имеет схожую конструкцию с генератором переменного тока. Основные его части - это якорь в форме цилиндра с обмоткой и электромагниты, создающие напряжение в приборе.

Они делятся на два типа: самовозбуждающиеся и с применением независимого включения, такие приборы тоже могут быть щеточными и бесщеточными.

Из-за того, что генераторы постоянного тока нуждаются в постоянном источнике энергии, область их применения достаточно узконаправленная. Часто они применяются для питания общественного электротранспорта. Данный тип приборов используется в дизельных генераторах.

Электрогенератор – один из составляющих элементов автономной электростанции , а также многих других. По сути, он и является самым важным элементом, без которого невозможна выработка электрической энергии . Электрогенератор преобразует вращательную механическую энергию в электрическую. Принцип его действия основан на так называемом явлении самоиндукции, когда в проводнике (катушке), двигающемся в силовых линиях магнитного поля возникает электродвижущая сила (ЭДС), которую можно (для лучшего понимания вопроса) назвать электрическим напряжением (хотя это и не одно и то же).

Составными частями электрического генератора являются магнитная система (в основном используются электромагниты) и система проводников (катушек). Первая создает магнитное поле, а вторая, вращаясь в нем, преобразует его в электрическое. Дополнительно в генераторе есть еще и система отвода напряжения (коллектор и щетки, соединение катушек определенным образом). Она собственно связывает генератор с потребителями электрического тока.

Получить электроэнергию можно и самому, проведя самый простейший опыт. Для этого нужно взять два разнополюсных магнита или повернуть два магнита разными полюсами друг к другу, и поместить между ними металлический проводник в виде рамки. К ее концам подключить небольшую (слабомощную) электрическую лампочку. Если рамку начать вращать в ту или другую сторону, лампочка начнет светится, то есть на концах рамки появилось электрическое напряжение, а через ее спираль потек электрический ток . Точно также происходит в электрогенераторе, стой лишь разницей, что в электрогенераторе более сложная система электромагнитов и намного сложнее катушка из проводников, обычно медных.

Электрогенераторы различаются как по типу привода, так и по виду выходного напряжения. По типу привода, который приводит его в движение:

Турбогенератор – приводится в движение при помощи паровой турбины или газотурбинного двигателя. В основном используются на больших (промышленных) электростанциях.
Гидрогенератор – приводится в движение при помощи гидравлической турбины. Применяется также на больших электростанциях, работающих посредством движения речной и морской воды.
Ветрогенератор – приводится в движение при помощи энергии ветра. Используется как в маленьких (частных) ветряных электростанциях , так и в больших промышленных.
Дизель-генератор и бензо-генератор приводятся в движение соответственно дизельным и бензиновым двигателем.

По виду выходного электрического тока:

Генераторы постоянного тока – на выходе получаем постоянный ток.
Генераторы переменного тока. Бывают однофазные и трехфазные, с однофазным и трехфазным выходным переменным током соответственно.

Различные типы генераторов имеют свои конструктивные особенности и практически несовместимые узлы. Объединяет их лишь общий принцип создания электромагнитного поля путем взаимного вращения одной системы катушек относительно другой либо относительно постоянных магнитов. Ввиду этих особенностей ремонт генераторов или их отдельных компонентов под силу только квалифицированным специалистам.

Электрическим генератором называется машина или установка, предназначенная для преобразования энергии неэлектрической — в электрическую: механической — в электрическую, химической — в электрическую, тепловой — в электрическую и т. д. Сегодня в основном, произнося слово «генератор», мы имеем ввиду преобразователь механической энергии - в электрическую.

Это может быть дизельный или бензиновый переносной генератор, генератор атомной электростанции, автомобильный генератор, самодельный генератор из асинхронного электродвигателя, или тихоходный генератор для маломощного ветряка. В конце статьи мы рассмотрим в качестве примера два наиболее распространенных генератора, но сначала поговорим о принципах их работы.

Так или иначе, с физической точки зрения принцип работы каждого из механических генераторов — один и тот же: , когда при пересечении линиями магнитного поля проводника - в этом проводнике возникает ЭДС индукции. Источниками силы, приводящей к взаимному перемещению проводника и магнитного поля, могут быть различные процессы, однако в результате от генератора всегда нужно получить ЭДС и ток для питания нагрузки.

Принцип работы электрического генератора — Закон Фарадея

Принцип работы электрического генератора был открыт в далеком 1831 году английским физиком Майклом Фарадеем. Позже этот принцип назвали законом Фарадея. Он заключается в том, что при пересечении проводником перпендикулярно магнитного поля, на концах этого проводника возникает разность потенциалов.

Первый генератор был построен самим Фарадеем согласно открытому им принципу, это был «диск Фарадея» - униполярный генератор, в котором медный диск вращался между полюсами подковообразного магнита. Устройство давало значительный ток при незначительном напряжении.

Позже было установлено, что отдельные изолированные проводники в генераторах проявляют себя гораздо эффективнее с практической точки зрения, чем сплошной проводящий диск. И в современных генераторах применяются теперь именно проволочные обмотки статора (в простейшем демонстрационном случае — виток из проволоки).

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 .

Частота синусоидальной ЭДС f пропорциональна частоте вращения ротора: f = np/60, где — p - число пар магнитных плюсов ротора, n - количество оборотов ротора в минуту. Обычно максимальная скорость вращения ротора — 3000 оборотов в минуту. Если подключить к обмоткам статора такого синхронного генератора трехфазный выпрямитель, то получится генератор постоянного тока (так работают, кстати, все автомобильные генераторы).

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 , 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).

Андрей Повный

Генератор превращает механическую энергию в электрическую путем вращения проволочной катушки в магнитном поле. Электрический ток вырабатывается и тогда, когда силовые линии движущегося магнита пересекают витки проволочной катушки {рисунок справа). Электроны {голубые шарики) перемещаются по направлению к положительному полюсу магнита, а электрический ток течет от положительного полюса к отрицательному. До тех пор, пока силовые линии магнитного поля пересекают катушку (проводник), в проводнике индуцируется электрический ток.

Аналогичный принцип работает и при перемещении проволочной рамки относительно магнита {дальний рисунок справа), т. е. когда рамка пересекает силовые линии магнитного поля. Индуцированный электрический ток течет таким образом, что его поле отталкивает магнит, когда рамка приближается к нему, и притягивает, когда рамка удаляется. Каждый раз, когда рамка изменяет ориентацию относительно полюсов магнита, электрический ток также изменяет свое направление на противоположное. Все то время, пока источник механической энергии вращает проводник (или магнитное поле), генератор будет вырабатывать переменный электрический ток.

Принцип действия генератора переменного тока

Простейший генератор переменного тока состоит из проволочной рамки, вращающейся между полюсами неподвижного магнита. Каждый конец рамки соединен со своим контактным кольцом, скользящим по электропроводной угольной щетке (рисунок над текстом). Индуцированный электрический ток течет к внутреннему контактному кольцу, когда соединенная с ним половина рамки проходит мимо северного полюса магнита, и, наоборот, к внешнему контактному кольцу, когда мимо северного полюса проходит другая половина рамки.

Трехфазный генератор переменного тока

Одним из наиболее экономически выгодных способов выработки сильного переменного тока является использование одного магнита, вращающегося относительно нескольких обмоток. В типичном трехфазном генераторе три катушки расположены равноудалено от оси магнита. Каждая катушка вырабатывает переменный ток, когда мимо нее проходит полюс магнита (правый рисунок).

Изменение направления электрического тока

Когда магнит вдвигается в проволочную катушку, он индуцирует в ней электрический ток. Этот ток заставляет стрелку гальванометра отклоняться в сторону от нулевого положения. Когда магнит вынимается из катушки, электрический ток изменяет свое направление на противоположное, и стрелка гальванометра отклоняется в другую сторону от нулевого положения.

Переменный ток

Магнит не будет индуцировать электрический ток до тех пор, пока его силовые линии не начнут пересекать проволочную петлю. Когда полюс магнита вдвигается в проволочную петлю, в ней индуцируется электрический ток. Если магнит прекращает движение, электрический ток (голубые стрелки) также прекращается (средняя диаграмма). Когда магнит вынимается из проволочной петли, в ней индуцируется электрический ток, текущий в противоположном направлении.

В настоящее время для вырабатывания электрической энергии применяются в основном синхронные генераторы. Асинхронные машины используются чаще всего как двигатели.

Генераторы, производящие переменный ток, в общем случае состоят из неподвижной обмотки — статора и подвижной – ротора.

Отличие синхронной машины от асинхронной состоит в том что в первых магнитное поле статора вращается одновременно с движением ротора, а в асинхронных либо опережает либо запаздывает от поля в ротора.

Широкое распространение синхронных машин обусловлено их качественными параметрами. Синхронные генераторы вырабатывают высокостабильное напряжение, пригодное для подключения широкого спектра электроприборов.

При КЗ в нагрузке или большой потребляемой мощности, по обмоткам статора протекает значительный ток, который может привести к выходу генератора из строя. Для таких машин обязательно наличие охлаждения – на вал ротора помещают турбину, охлаждающую всю конструкцию.

В виду этого синхронные генераторы чувствительны к условиям окружающей среды.

Асинхронные генераторы в большинстве случаев имеют закрытый корпус и нечувствительны к большому пусковому току энергопотребителей.

Однако для их работы нужен внешний мощный подмагничивающий ток. В целом асинхронные генераторы вырабатывают нестабильное напряжение. Достаточно широко такие генераторы распространены как источники энергии для сварочных аппаратов.

Синхронные генераторы распространены как преобразователи механической энергии в электрическую на гидростанциях, ТЭЦ, в качестве бытовых бензо- и дизельгенераторов, в качестве бортовых источников энергии на транспорте.

Статоры синхронного и асинхронного генератора не отличаются друг от друга по конструкции.

Сердечник статора состоит из нескольких пластин электротехнической стали, изолированных между собой и собранных в единую конструкцию (Рис. 1). На пазы с внутренней стороны статора устанавливаются катушки обмоток.

Для каждой фазы обмотка включает в себя две катушки, установленные напротив друг друга и соединенные последовательно. Такая схема обмоток называется двухполюсной.

Всего на статоре установлено три катушечные группы (Рис. 2), со сдвигомв 120 градусов. Фазовые группы соединены между собой в «звездой» или «треугольником». Встречаются катушечные группы с большим числом полюсов. Угол

сдвига катушки относительно друг друга рассчитывается в общем случае по формуле (2π/3)/n, где n–количество полюсов обмотки.

Ротор генератора представляет собой электромагнит, возбуждающий в статоре переменное магнитное поле. Для малогабаритных генераторов небольшой мощности зачастую на роторе расположены обычные магниты
.

Ротор синхронного генератора нуждается во внешнем возбудителе – генераторе постоянного тока, в простейшем случае установленному на том же валу что и ротор.

Возбудитель должен обеспечивать изменение тока в роторе для регулирования режима работы и возможность быстрого гашения магнитного поля при аварийном отключении.

Роторы различаются на явнополюсные и не явнополюсные. Конструкция явнополюсных роторов (Рис. 3)состоит из полюсов электромагнитов 1, образованных полюсными катушками 2, соединенными с сердечником 3. Возбуждение на обмотку подается через кольцевые контакты 4.

Такие роторы применяются при небольшой частоте вращения, например в гидротурбинах. При более быстром вращении вала, возникают значительные центробежные силы, которые могут разрушить ротор.

В этом случае используют не явнополюсные роторы (Рис. 4). Не явнополюсный ротор содержит пазы 1, образованные в сердечнике 2. В пазах закрепляются роторные обмотки (на Рис. 4 условно не показаны). Внешнее возбуждение также передается через контакты 3. Таким образом, ротор с неявными полюсами представляет собой статор «наизнанку».

Магнитное двухполюсное поле вращающего ротора можно заменить аналогичным полем постоянного магнита, вращающегося с угловой скоростью ротора. Направление тока в каждой обмотке определяется по правилу буравчика.

Если ток, например направлен от начала обмотки А к точке X, то такой ток будет условно принят за положительный (Рис. 5). При вращении ротора в обмотке статора возникает переменный ток, со сдвигом по фазе в 2 π/3.

Для привязки изменения тока фазы А к графику рассмотрим вращение по часовой стрелки. В начальный момент времени, магнитное поле ротора не создает ток в катушечной группе фазы А, (Рис. 6, положение а).

В обмотке фазы B действует отрицательный (от конца обмотки к началу), а в обмотке фазы С – положительный токи. При дальнейшем вращении ротор сдвигается на 90 градусов вправо (Рис.6, б). Ток в обмотке А занимает максимальное положительное значение, а в фазовых обмотках Bи С – промежуточное отрицательное.

Магнитное поле ротора сдвигается еще на четверть периода, ротор сдвинут на угол в 180 градусов(Рис. 6, в). Ток в обмотке А снова достигает нулевого значения, в обмотке В положительный, в обмотке фазы С – отрицательный.

При дальнейшим вращении ротора в точке фазовый ток обмотке А достигает максимального отрицательного значения, ток в обмотках В и С – положительный (Рис. 6, г). Дальнейшее вращение ротора повторяет все предыдущие фазы.

Синхронные генераторы предназначены для подключения нагрузки с большим коэффициентом мощности (cosϕ>0.8). При росте индуктивной составляющей нагрузки возникает эффект размагничивания ротора, приводящий к снижению напряжения на выводах.

Для его компенсации, приходится увеличивать ток возбуждения, приводящий к увеличению температуры обмоток. Емкостная нагрузка напротив, увеличивает подмагничивание ротора и увеличивает напряжение.

Однофазные генераторы достаточно мало распространены в промышленности. Для получения однофазного тока фазовые обмотки трехфазного соединяют в общую цепь. При этом возникают небольшие потери по мощности по сравнению с трехфазным включением.

Пишите комментарии,дополнения к статье, может я что-то пропустил. Загляните на , буду рад если вы найдете на моем еще что-нибудь полезное.