Генератор постоянного тока: схема, как устроен и как работает, преимущества и недостатки

Генератор

генератор (лат. generator – производитель), устройство, аппарат, машина, производящие какой-либо продукт (напр., ацетиленовый генератор, парогенератор), вырабатывающие электрическую энергию (напр., электромашинный, магнитогидродинамический, термоэмиссионный генератор) либо создающие электрические, электромагнитные, световые или звуковые сигналы – колебания, импульсы (напр., ламповый, магнетронный, квантовый, ультразвуковой генераторы).

Генератор постоянного тока

Эти агрегаты соответствовали требованиям, предъявляемым к транспортным средствам до начала шестидесятых. Электромагниты в них неподвижные, ЭДС (электродвижущая сила) в роторе, напряжение на щетках одной полярности, ток снимается с заизолированных друг от друга полуколец.

Существует 3 вида этих электрогенераторов:

• с обмоткой, соединенной с аккумуляторной батареей;
• с параллельным возбуждением (шунтовой схемой);
• с последовательной схемой для подключения статора, обмоток якоря.

Благодаря возможности работать как двигатель, если ток подается на якорь, современные электрогенераторы постоянного тока устанавливаются на гибридные автомобили.

Прогресс производства машин с двигателями внутреннего сгорания потребовал более высоких мощностей, оптимизации технических характеристик, уменьшения габаритов, длительного срока службы.

У оборудования постоянного тока оказалось много недостатков:

• небольшая мощность;
• низкий КПД;
• неудобная схема для подключения;
• большие габариты и вес;
• частое техобслуживание;
• необходимость в постоянном контроле

Дольше всего оборудование постоянного тока использовалось на железной дороге, однако со временем было заменено трехфазным переменным агрегатами.

Генератор переменного тока

Для разработки компактных, мощных, долговечных электрогенераторов для машин было потрачено немало времени. Новое оборудование сравнительно легкое, снижена стартовая частота вращений, увеличена надежность, срок эксплуатации более длительный, меньше затраты на техобслуживание.

История – генератор переменного тока

Простейший и самый первый генератор переменного тока был разработан физиком Майклом Фарадеем в 1831 году и получил название «Диск Фарадея». Конструкция первого генератора переменного тока была очень простой. Она включала такие элементы:

1. Два разно полярных магнита «N» и «S».
2. Рамку из медной проволоки со сторонами A, B, C, D.
3. Оси вращения N и N1.

Принцип действия генератора переменного тока Фарадея заключался в том, что при вращении рамки, вырабатывался ток со слабым напряжением. Происходит это следующим образом:

1. Рамка из проволоки осуществляет вращение внутри постоянного магнитного поля по оси N и N 1.
2. При изменении положения рамки из вертикального в горизонтальное, возникает эффект разреза магнитного поля.
3. В такие моменты возникает электродвижущая сила (ЭДС).
4. При прохождении одного полуоборота ЭДС имеет положительный потенциал. Ток протекает от точки А к точке B.
5. При возврате в вертикальное положение ЭДС меняет направление из точки C в точку D, а значит меняется и потенциал тока.

Все генераторы переменного тока используют вращающееся магнитное поле. При изменении положения медной рамки существует также момент полной потери напряжения. Он возникает при медленном вращении, например, без двигателя. При быстром вращении, величина напряжения остается неизменной.

Основные параметры

Для любого электрогенератора важны такие характеристики как:

1. КПД, %;
2. напряжение, В;
3. выдаваемый ток, А;
4. частота и направление вращения ротора, об/мин;
5. мощность, Вт (Ватты).

Характеристики генератора переменного тока

Основные технические характеристики генератора переменного тока: внешняя, скоростная регулировочная и токоскоростная. Внешняя характеристика определяется, как зависимость напряженности прибора от генерируемого им тока. Она является константой и может быть определена в процессе самостоятельного и независимого возбуждения.

Скоростная регулировочная характеристика чаще всего высчитывается исходя из нескольких величин электротока нагрузки. Самое маленькое значение возбуждения находится при нагрузочном токе, равном нулю (частота вращений при этом максимальная).

Последняя токоскоростная характеристика определяется как одна из самых важных при выборе или создании генератора. Практически все новые генераторы могут самостоятельно ограничивать свой максимальный ток.

Обратите внимание! Делается это для того, чтобы частота вращения роторов не увеличивалось до частоты индуцированного стартера.

Простой индукционный генератор для использования дома и на предприятии

Устройство генератора

Практически все они похожи по своему устройству, но есть некоторые отличия — это способ приведения механической части в движение (рисунок 1).

Он состоит из основных узлов:

• корпус;
• статор;
• ротор, или якорь;
• коробка коммутации.

Ещё один важный элемент — обгонная муфта генератора. Об особенностях её работы и ремонта читайте в материале нашего эксперта.

Рисунок 1. Генератор в разрезе

Корпус, выполняющий функцию рамы, служит для крепления всех основных частей. Кроме того, в нём устанавливаются подшипники, необходимые для плавного вращения вала и увеличения срока службы устройства. Корпус изготавливают из прочного металла, а также он служит для защиты внутренних частей машины от внешних повреждений.

Статор имеет магнитные полюса, представленные в виде закреплённой обмотки для возбуждения магнитного потока Ф. Выполняется из спецстали, которая называется ферромагнитной.

Ротор является подвижной частью, причем его приводит в движение какая-либо сила. В результате на якоре (роторе) образуется разность потенциалов или напряжение (U). Узел (коробка) коммутации, необходим для отведения электричества от ротора.

Он состоит из проводящих колец, соединённых с графитовыми токосъёмными контактами.

Принцип работы генератора

Пришло время рассмотреть устройство генератора перемененного тока и принцип его действия. Он заключается в том, что в электроустановке используют специальную систему, которая при функционировании производит магнитный поток большой мощности.

За основу взято два сердечника, изготовленных из электротехнической стали. Пазы одного сердечника предполагают размещение обмотки, которая отвечает за генерацию потока магнитных волн. Второй же используется для индукции электродвижущей силы.

Обычно сердечник, который расположен внутри, находится в горизонтальном или вертикальном положении и вращается по соответствующим орбитам. Его называют ротором. Второй же сердечник, называемый статором, как понятно из его названия, остается в неподвижном состоянии. Чем меньшее расстояние будет между этими элементами, тем больше вырастет индуктивность магнитного потока. Далее рассмотрены назначение устройства и работа генератора переменного тока.

Рассмотрение строения электрогенератора на практике

Автомобильные генераторы

На фото — электрический генератор для автомобиля

Кто-то возможно тут же скажет: «Как? Это же генератор постоянного тока!». Да, действительно, так оно и есть, однако таковым его делает лишь наличие выпрямителя, который этот самый ток делает постоянным. Основной принцип работы ничем не отличается – все тот же ротор, все тот же электромагнит и прочее.

Принципиальная схема автомобильного генератора

Это устройство функционирует таким образом, что вне зависимости от скорости вращения вала, оно вырабатывает напряжение в 12В, что обеспечивается регулятором, через который идет питание обмотки возбуждения. Обмотка возбуждения стартует, запитываясь от автомобильного аккумулятора, ротор агрегата приводится в движение двигателем автомобиля через шкив, после чего начинает индуцироваться ЭДС.

Для выпрямления трехфазного тока используется несколько диодов.

Область применения

Повседневную жизнь человеческого общества невозможно представить без переменного тока. Его широкое использование связано с тем, что он обладает огромными преимуществами перед постоянным.

При этом, главным преимуществом является то, что напряжение и силу переменного тока можно легко и практически без потерь преобразовать в достаточно широких пределах.

Особенно, такое преобразование необходимо в случае передачи электроэнергии на большие расстояния. Электроэнергия обладает большими преимуществами перед другими видами энергии.

Ее можно передавать на большие расстояния с малыми потерями и достаточно легко распределять между потребителями. Кроме того, электроэнергия просто превращается в другие виды энергии (световая, тепловая, механическая и пр.).

Именно поэтому, генераторы переменного тока в современных условиях получили очень широкое применение. С их помощью вырабатывается электроэнергия, которая затем используется во всех отраслях промышленности, а также в быту и на всех видах транспорта.

Разновидности

Внутреннее устройство генератора переменного тока зависит от его типа. Электромашины делятся на 2 основных типа:

1. Синхронные.
2.  Асинхронные.

Также существует классификация по:

1. Способу возбуждения.
2. Количеству фаз.
3. По типу ротора и статора.

Синхронные генераторы

Синхронный двигатель — это электромеханизм, который работает в режиме генерации электрической энергии. Его особенность в том, что частота вращения стартера, а точнее его магнитного поля, равна частоте вращения ротора.

К сведению! Синхронные обладают роторами, которые выполнены в виде постоянных или электрических магнитах. Полюсов у них может быть и 2, и 4, и 6. Главное, чтобы это число было кратным двум.

Синхронный генератор

Асинхронные генераторы

Асинхронные двигатели — это приборы, которые работают в тормозящем режиме. В данной ситуации ротор выполняет вращения только в одном направлении, совпадающем с движением магнитного поля, но немного опережает его.

Обратите внимание! Такие установки практически не подвержены коротким замыканиям и обладают повышенной защитой от воздействия внешних факторов.

Асинхронный генератор

По типу топлива двигателя

Удаленность от электросети с появлением генераторов больше не становится препятствием для пользования электроприборами.

Газовый генератор

В качестве топлива здесь используется газ, во время сгорания которого и вырабатывается механическая энергия, которая затем заменяется электрическим током. Преимущества использования газогенератора:

• Безопасность для окружающей среды, ведь газ при сгорании не выделяет вредных элементов, копоти и токсичных продуктов распада;
• Экономически это очень выгодно – сжигать дешевый газ. В сравнении с бензином, это обойдется значительно дешевле;
• Подача топлива осуществляется автоматически. Бензин и дизельное топливо требуется по мере необходимости подливать, а газовый генератор обычно подключают к системе газоснабжения;
• Благодаря автоматике, аппарат приходит в действие самостоятельно, но для этого он должен располагаться в теплом помещении.

Дизельный генератор

Эту категорию составляют преимущественно однофазные агрегаты мощностью 5 кВт. 220 Вольт и частота 50 Гц являются стандартными для бытовой техники, поэтому дизельный аппарат неплохо справляется со стандартной нагрузкой. Как можно догадаться, для его работы требуется дизельное топливо. Почему стоит выбрать именно дизельный электрогенератор:

• Относительная дешевизна топлива;
• Автоматика, позволяющая автоматически запускать генератор при прекращении подачи электрического тока;
• Высокий уровень противопожарной безопасности;
• В течении длительного периода времени агрегат на дизеле способен проработать без сбоев;
• Внушительная долговечность – некоторые модели способны работать в общей сумме 4 года непрерывной эксплуатации.

Бензиновые генераторы

Это в основном легкие, компактные, портативные агрегаты относительно небольшой мощности (до 10 кВт), не рассчитанные на непрерывную работу. Их достоинства: неприхотливость и простота обслуживания, невысокая цена, низкий уровень шума.

Недостатки: относительно небольшой ресурс (от 500 до 3000 мч. в зависимости от конструкции двигателя), пониженная экономичность (из-за высокого расхода бензина), значительные колебания параметров выходного напряжения (по величине – до 10%, по частоте – до 4%).

Предназначены для использования в качестве резервных источников питания при временных отключениях энергии или питания электроинструментов.

Фазы

Самые распространенные и универсальные типы генераторов переменного тока имеют 3 независимые обмотки. Такие устройства являются трехфазными. Их принцип работы следующий:

1. По окружности силовой части статора генератора располагаются 3 обмотки. Они имеют смещение 120 градусов.
2. Вращение ротора возбуждает в этих обмотках ЭДС переменного потенциала.
3. ЭДС имеют сдвиг по такту на 1 треть.

Каждая обмотка такого устройства — это независимый однофазный генератор переменного тока, который способен питать бытовую сеть.

Для снижения числа проводников, которые подключены к генератору, используется один общий провод. Он заменяет 3 проводника от приемников. Этот проводник становится нейтралью. Основные особенности трехфазных генераторов следующие:

• Устройство вырабатывает линейное и фазное напряжения.
• При одинаковой нагрузке на каждой фазе по нейтральному проводу не протекает электрическая энергия.
• При разнице нагрузок нейтраль становится проводником тока.
• Если генератором вырабатывается высокое напряжение (больше 380 вольт), к его выходу легко подключается понижающий трансформатор для передачи электрического тока бытовым и промышленным сетям.

Общая схема трехфазного генератора представлена ниже.

Трехфазные генераторы могут использоваться для бытовых нужд. Но подключение стоит проводить между несколькими потребителями или помещениями. Для единоличного потребления подходит однофазная модель синхронного типа. Главное подобрать модель подходящей мощности с небольшим запасом.

Однофазные

Отличаются способностью производить однофазный ток. Питание бытовых приборов — главное назначение устройств. Обычно аппараты выпускают мобильными, чтобы с ними было проще обращаться. Частные домовладения — объекты, внутри которых однофазные агрегаты можно встретить чаще всего. Например — для удовлетворения различных нужд на бытовом уровне.

Трёхфазные

Питание силового электрооборудования — вот в чём состоит основная функция. Иногда происходит разделение такой энергии по нескольким фазам. Для питания электропроводки это очень удобное решение, позволяющее развести линию на несколько частей.

Интересно! Главное — чтобы мощность потребления у всех линий оставалась примерно одинаковой. Генератор быстро выходит из строя, если между значениями образуется серьёзная разница.

Возбуждение

По способу возбуждения, генераторы делятся на 4 основных типа. Они бывают следующими:

1. Возбуждение от постороннего источника. Часто этим источником является аккумулятор или генератор постоянного тока.
2. Устройства с самостоятельным возбуждением. Напряжение на обмотку подается через выпрямитель. Такие виды генераторов постоянного тока имеют старт от аккумулятора, который соединен параллельно со стартером двигателя внутреннего сгорания. Также питание может производиться от блока управления, который подключен к аккумулятору, но значительно увеличивает силу тока для стартового возбуждения.
3. Параллельный генератор. Или устройством, состоящим из двух генераторов разной мощности, которые закреплены на одном валу. Маломощное устройство стартует от аккумулятора, а выработанное напряжение перенаправляет на более мощный альтернатор. Оба устройства работают от одного приводного двигателя.
4. Без возбуждения. Переменный ток вырабатывает генератор переменного тока за счет вращения постоянного магнита. Достаточно просто завести тяговый двигатель и возбуждение появляется за счет магнита. Такие устройства наиболее эффективные. Не зависят от наличия аккумулятора. Могут быть использованы в качестве передвижных станций. Например, трех машинный генератор переменного тока используют этот принцип работы.

Генераторы переменного тока могут иметь схожее устройство. Часто промышленные и бытовые модели различаются только размером и компоновкой. Но есть отличие по принципу возбуждения и количеству фаз. Также существует классификация по схеме подключения внутренней обмотки.

Схема подключения

Схема подразделяется на силовую и управляющую цепи. Мощный выход генератора через силовой разъём из закреплённого гайкой на шпильке провода большого сечения соединяется непосредственно с плюсовой клеммой аккумуляторной батареи.

Тонкий управляющий провод чаще всего просто соединён с цепью зажигания через контрольную лампочку. Встречаются и иные схемы, когда лампочка имеет собственное управление от специально предназначенного контакта на корпусе.

Описание схем

Для получения связанной трехфазной системы, обмотки электрогенератора нужно соединить между собой одним из двух способов:

“Звезда”

Соединение “звездой” предусматривает электрическое соединение концов всех обмоток в одной точке. Точка соединения называется “нулем”. При таком соединении нагрузка к генератору может быть подключена 3 или 4 проводами.

Провода, идущие от начала обмоток называются линейными, а провод, идущий от нулевой точки – нулевым. Напряжение между линейными проводами называют линейным.

Линейное напряжение больше фазного в 1,73 раза.

Напряжение между нулевым и любым из линейных проводов называется фазным. Фазные напряжения равны между собой и сдвинуты друг относительно друга на угол, который равен 120 градусов.

Особенностью схемы является также равенство линейных и фазных токов.

Наиболее распространена 4 проводная схема – соединение “звездой” с нейтральным проводом. Она позволяет избежать перекоса фаз в случае подключения несимметричной нагрузки, например, на одной фазе – включена активная нагрузка, а на другой – емкостная или реактивная. При этом, обеспечивается сохранность включенных электроприборов.

“Треугольник”

Соединение “треугольником” – это последовательное соединение обмоток трехфазного генератора: конец первой обмотки соединяется с началом второй, ее конец – с началом третьей, а конец последней – с началом первой.

В этом случае, линейные провода отводятся от точек соединения обмоток. При этом, линейное напряжение равно фазному, а величина линейного тока в 1,73 раза больше фазного.

Все упомянутые зависимости справедливы только при равномерной нагрузке фаз. При неравномерной нагрузке фаз, их необходимо пересчитывать аналитическими или графическими методами.

Автономность

Полная независимость от централизованных источников энергии — одно из главных преимуществ, которыми обладают современные генераторы. В зависимости от этого показателя, модели делятся на мобильные либо стационарные.

Стационарные

Речь идёт о генераторных станциях, в основе работы которых — дизельные двигатели. Подходят для снабжения электрической энергии потребителей, удалённых от других подобных объектов. Обеспечивают снабжение током на тех территориях, где даже малейшая остановка производственных процессов приведёт к серьёзным негативным последствиям.

Мобильные

Чаще всего эти агрегаты — самые компактные. Допускают перемещение в пространстве установки. У передвижных станций сфера применения довольно широка:

1. Электросварка.
2. Местное освещение.
3. Снабжение током бытовых электроприборов, и так далее.

Обслуживание и ремонт

Внутри оборудования размещают двигатель внутреннего сгорания, который способен работать на дизельном топливе либо бензине. Агрегаты отличаются друг от друга по габаритам. Одного человека хватает, чтобы перемещать только самые маленькие устройства. Но есть мобильные варианты, монтаж которых проводят на автомобильных прицепах.

Режимы работы

При эксплуатации генератора машины существует 2 режима:

• запуск ДВС – в этот момент стартер авто и катушка ротора генератора являются единственными потребителями, расходуется энергия аккумулятора, пусковые токи значительно выше рабочих, поэтому от качества подзарядки аккумулятора зависит, заведется машина, или нет;
• рабочий режим – стартер в этот момент отключен, обмотка ротора генератора переходит в режим самовозбуждения, зато появляются прочие потребители (кондиционер, обогреватели стекол, зеркал, фары, автозвук), необходимо восстановить зарядку АКБ.

Внимание: При резком повышении суммарной нагрузки (аудиосистема с усилителем, сабвуфер) ток генератора становится недостаточным для удовлетворения потребностей бортовой системы, начинается расходоваться заряд АКБ.

Поэтому для снижения просадок напряжения владельцы автозвука часто ставят второй аккумулятор, увеличивают мощность генератора или дублируют его еще одним устройством.

Инвертор

Инверторный генератор переменного тока представляет собой современный и универсальный блок, который может использоваться для бытовых и промышленных нужд. Состоит устройство из следующих частей:

1. ДВС на бензиновом или дизельном топливе.
2. Простого генератора, вырабатывающего переменный ток.
3. Инверторного преобразователя.
4. Специальных разъемов для подключения нагрузки.
5. Управляющей части.

Особенность таких устройств — это стабильная выдача напряжения, возможность подключения к переменному и постоянному току через отдельные гнезда. Рассмотрим, как работает этот тип генератора.

1. ДВС приводит в движение вал синхронного генератора.
2. Выработанное переменное напряжение поступает на выпрямитель, в который включен трансформатор, диодный мост и радиатор для охлаждения.
3. После выпрямителя, представляющего собой блок преобразователь, ток приобретает напряжение пульсирующего типа частотой до 20000 Гц.
4. Пульсирующий ток направляется в фильтр и пропускается через конденсатор. В итоге ток выравнивается и становится постоянным с напряжением 12–20 вольт (зависит от типа устройства).
5. Постоянный ток передается на инвертор, который преобразует его в переменный ток с рабочей частотой 50 Гц.

На выходе разъема получается ток частотой 50 Гц, напряжением 220 вольт. Инверторные модели генераторов обладают существенным преимуществом. Оно заключается в следующих нюансах конструкции:

1. Выходной переменный ток с идеальной синусоидой. Это обеспечивает бесперебойную работу чувствительного оборудования.
2. Фильтр устройства собран на высоковольтных конденсаторах, способных пропускать через себя напряжение до 400 вольт.
3. Синусоида формируется за счет транзисторного ключа. Ключ многократно преобразует синусоиду за счет парной работы транзисторов.
4. Прибор способен работать в режиме перегрузки всего несколько секунд. При увеличении нагрузки, срабатывает защита и отключает генератор без остановки ДВС.

На данный момент различаются 3 основных типа инверторных генераторов:

1. Прямоугольные. Используются для питания 1–3 электрических приборов малой мощности.
2. Трапецеидальные. Более мощные. Применение — ими можно питать бытовые приборы, но в цепи не должно быть устройств с высоким сопротивлением (чайники, плиты, печи).
3. Синусоидальные. Самые мощные устройства со стабильным напряжением. Можно использовать для питания сложной и чувствительной техники, бытовых приборов.

Инверторные генераторы переменного тока компактные, установить и использовать их довольно просто. В бытовую сеть могут быть подключены через обычный рубильник, с предварительно отсоединенной основной сетью.

Видео

Дополнительная информация о подключении, эксплуатации

Установку тоже лучше доверить специалистам, чтобы прибор работал в дальнейшем без перебоев. В этом случае он не станет и источником опасности для окружающих. Подключение прибора предполагает соединение его электропроводки с централизованной сетью. Поэтому требуется соблюдение дополнительных правил по безопасности.

Вот основные рекомендации:

• Когда монтажные работы завершены — агрегат готовят к эксплуатации.
• Для этого проверяют уровень масла в картере.
• Такую процедуру осуществляют, пока агрегат находится на ровной горизонтальной поверхности.
• По мере расходования производят заправку топливом.
• Если агрегат внутри помещения — при обслуживании обязательно проветрить.
• Заправка не допускает курение, использование открытого огня.
• Бензин заливают максимально аккуратно, не допуская протечек.

Один из вариантов

Когда подготовительные работы завершены, двигатель запускают. За это отвечает ручной или электрический стартер, в зависимости от модели.

Генераторы переменного тока на современном рынке представлены в большом количестве моделей. Каждый делает окончательный выбор в зависимости от потребностей, целей использования. Различные системы питания, диапазон мощности определяются объектом, внутри которого монтируют установку. Иногда оценивают доступность конкретных видов топлива на территории того или иного региона. Рекомендуется выбирать модели, обслуживание которых требует наименьших затрат.

Выбор генератора для легкового авто

За счет разного диаметра шкивов клиноременной передачи генератору придается большая угловая скорость в сравнении с оборотами коленвала. Частота вращения ротора достигает 12 – 14 тысяч оборотов ежеминутно. Поэтому ресурс генератора минимум вдвое меньше, чем у ДВС авто.

Генератором машина комплектуется на заводе, поэтому при замене подбирается модификация с аналогичными характеристиками и крепежными отверстиями. Однако при тюнинге авто мощность генератора может не устроить владельца. Например, после увеличения количества потребителей (подогрев сидений, зеркал, стекол), установки сабвуфера, аудиосистемы с усилителем требуется именно выбор нового, более мощного генератора или монтаж второго электроприбора в комплекте с дополнительным аккумулятором.

В первом случае следует выбрать мощность, достаточную для подзарядки аккумулятора с 15% запасом. При установке второго генератора начальный и эксплуатационный бюджет резко увеличиваются:

• для дополнительного генератора придется установить дополнительный шкив на коленвал;
• найти место для крепления корпуса электроприбора таким образом, чтобы его шкив размещался в одной плоскости со шкивом коленвала;
• обслуживать и менять расходники сразу двух «мобильных электростанций».

С возникновением бесщеточных моделей генератора некоторые владельцы производят замену штатного прибора этим девайсом.

Как вам статья?