Конструкция генератора переменного тока
В самом общем случае, наиболее часто применяемый трехфазный генератор переменного тока состоит из явнополюсного ротора с одной парой полюсов (маломощные оборотистые генераторы) или 2 парами их, расположенными крестообразно (наиболее распространенные генераторы мощностями до нескольких сот киловатт. Такая конструкция не только позволяет более рационально использовать материал, но и для промышленной частоты переменного тока 50 Гц дает рабочую частоту вращения ротора 1500 оборотов в минуту, что хорошо согласуется с тяговыми оборотами дизельных двигателей этой мощности), а также статора с 3 (в первом случае) или 6 (во втором) силовыми обмотками и полюсами. Напряжение с силовых обмоток и есть то, которое подается потребителю.
Ротор может быть выполнен на постоянных магнитах только для весьма маломощных генераторов, во всех остальных случаях он имеет намотку т.н. обмотки возбуждения, то есть представляет из себя электромагнит постоянного тока, запитываемый во вращающемся роторе через щёточно-коллекторный узел с простыми кольцевыми контактами, более устойчивыми к износу нежели разрезной ламельный коллектор машин постоянного тока.
В сколько-либо мощном генераторе переменного тока с обмоткой возбуждения на роторе, неизбежно встает вопрос — какой величины ток возбуждения подавать на катушку? Ведь от этого зависит выходное напряжение такого генератора. И это напряжение должно поддерживаться в определенных рамках, например, 380 Вольт, вне зависимости от тока в цепи потребителей, значительная величина которого способна также значительно уменьшать выходное напряжение генератора. Кроме этого, нагрузка по фазам вообще может быть очень неравномерной.
Этот вопрос решается в современных генераторах, как правило введением в выходные цепи фаз генератора электромагнитных трансформаторов тока, соединенных вторичными обмотками треугольником или звездой, и дающими на выходе переменное трехфазное напряжение амплитудой единицы — десятки вольт, строго пропорциональное и согласованное по фазе с величиной тока нагрузки фаз генератора — чем больше потребляемый в данный момент по данной фазе ток, тем больше напряжение на выходе соответствующей фазы соответствующего токового трансформатора. Этим и достигается стабилизирующий и авторегулирующий эффект. Все три регулирующие фазы с вторичных обмоток токовых трансформаторов далее заводятся на обычный 3-фазный выпрямитель из 6 полупроводниковых диодов, и на выходе его получается постоянный ток нужной величины, и подаваемый на обмотку возбуждения ротора через щёточно-коллекторный узел. Схема может быть дополнена реостатным узлом для некоторой свободы регулирования тока возбуждения.
В устаревших или маломощных генераторах вместо токовых трансформаторов применялась система из мощных реостатов, с вычленением рабочего тока возбуждения за счет изменения падения напряжения на резисторе при изменении тока через него. Эти схемы были менее точны и гораздо менее экономичны.
В обоих случаях существует проблема появления начального напряжения на силовых обмотках генератора в момент начала его работы — действительно, если возбуждения ещё нет, то и току во вторичных обмотках токовых трансформаторов взяться неоткуда. Проблема, однако, решается тем что железо ярма ротора обладает некоторой способностью к остаточному намагничиванию, эта остаточная намагниченность оказывается достаточной для возбуждения в силовых обмотках напряжения в несколько вольт, достаточного для самовозбуждения генератора и выхода его на рабочие характеристики.
В генераторах с самовозбуждением — серьезную опасность представляет случайная подача внешнего напряжения промышленной электрической сети на силовые обмотки статора. Хотя это не приводит к каким-то негативным последствиям для самих обмоток генератора, мощное переменное магнитное поле от внешней сети эффективно размагничивает статор, в результате чего генератор теряет способность к самовозбуждению. В этом случае требуется начальная подача напряжения возбуждения от какого-то внешнего источника, например, автомобильного аккумулятора, иногда такая процедура полностью излечивает статор, но в некоторых случаях необходимость подачи внешнего возбуждения остается навсегда.
Главный генератор переменного тока
Главный генератор состоит из вращающегося магнитного поля, как было указано ранее, и неподвижной арматуры (генераторные обмотки)
С чего начать и что потребуется?
Для того, чтобы собрать небольшой асинхронный генератор своими руками, потребуются такие конструктивные детали:
- Двигатель – его можно сделать самостоятельно, но это достаточно длительный и трудоемкий, поэтому лучше сэкономить время и взять двигателя из старых нерабочих бытовых приборов. Хорошо подходят двигателя от стиральной машинки и дренажных насосов.
- Статор – лучше брать готовый вариант, где уже будет находиться обмотка.
- Провода электрические, а также изолента.
- Трансформатор или выпрямитель – нужен в том случае, когда получаемая на выходе электроэнергия имеет различную мощность.
Итак, приступим к работе, предварительно выполнив несколько подготовительных манипуляций, позволяющих произвести расчет мощности будущего генератора:
- Подключаем двигатель в сеть, чтобы определить скорость вращения. Для этого нужно воспользоваться специальным прибором – тахометром.
- Записываем полученную величину и прибавляем к ней 10%, так называемая компенсаторная величина, которая позволит исключить перенагрев двигателя в процессе работы.
- Подбираем конденсаторы, учитывая необходимую мощность. Для удобства величины можно взять из таблицы, расположенной ниже.
Поскольку электрогенератор продуцирует электричество, нужно позаботиться о его заземлении. Отсутствие заземления и плохая изоляция может стать причиной не только быстрого износа прибора, но и представлять опасность для жизни.
Сам процесс сборки крайне прост: к двигателю поочередно подсоединяем конденсаторы, руководствуясь указанной схемой. В схеме отображена поочередность подключения, при этом емкость каждого последующего конденсатора аналогична предыдущему.
Это все, что нужно для получения маломощного генератора, способного снабжать электричеством электропилу, болгарку или циркулярку.
Этот вариант создания генератора самый простой и удобный, но имеет свои нюансы:
Во-первых, придется постоянно следить за температурой двигателя, не давая ему перегреваться.
Во-вторых, если КПД будет снижаться прямопропорционально продолжительности работы – это норма
Поэтому время от времени генератору нужно давать отдыхать, снижая его температуру до 40-45°С.
В-третьих, отсутствие автоматики заставит пользователя самостоятельно контролировать все процессы, периодически подсоединяя измерительные приборы к генератору (вольтметр, амперметр и тахометр).
Перед сборкой важно подобрать правильное оборудование, рассчитав его основные показатели и характеристики. Чертеж и схема значительно облегчат процесс работы.
Генератор на дровах или ветряной можно собрать подобным образом, однако для получения нужного напряжения на выходе потребуется достаточное количество энергоресурса.
Условия работы генератора переменного тока
Частота вращения генератора
Использование генератора (создаваемая энергия на килограмм массы) увеличивается с ростом оборотов двигателя. Поэтому необходимо использовать максимально высокое передаточное отношение между генератором и коленчатым валом двигателя
Однако важно, чтобы при максимальных оборотах двигателя не превышались максимально допустимые обороты генератора. Максимально допустимые обороты автомобильных генераторов определяются расширением клювообразных полюсов и сроком службы шарикоподшипников
Типичные значения для максимальных оборотов автомобильных генераторов находятся в диапазоне 18 000 — 22 000 мин-1. Передаточное отношение для легковых автомобилей находится в пределах 1:2,2—1:3, а для грузовых автомобилей 1:5.
Охлаждение генератора
Потери при преобразовании механической энергии в электрическую приводят к нагреву деталей генератора. Для охлаждения большинства современных автомобильных генераторов используется окружающий воздух в моторном отсеке. Если его недостаточно для охлаждения генератора, то подходящими решениями для адекватного охлаждения становятся нагнетание воздуха из более прохладных мест и жидкостное охлаждение.
Вибрации двигателя
Генератор, в зависимости от условий монтажа и вибрационных характеристик двигателя, может подвергаться вибрационным ускорениям 500-800 м/с2. Таким образом, крепления и компоненты генератора подвержены воздействию значительных сил. Поэтому совершенно необходимо избегать критических значений частоты собственных колебаний в генераторе.
Климат моторного отсека автомобиля
Генератор подвергается воздействию брызг воды, грязи, масла и распыленного топлива, а также соли, песка и гравия. Генератор должен защищаться от коррозии, чтобы можно было предотвратить образование путей утечки тока между деталями, находящимися под напряжением.
Акустика генератора
Жесткие требования к уровню шума в современных автомобилях и отличная плавность работы современных двигателей внутреннего сгорания требуют тихо работающих генераторов. Наряду с фасками на пальцах генераторов с клювообразными полюсами, уменьшающими жесткое прерывание магнитного потока на краях пальцев, существуют и другие возможности уменьшения шума, создаваемого магнитами автомобильных генераторов. Можно использовать следующее: во-первых, пять фаз в пентаграммном соединении (рис. «Пятифазная обмотка статора с пентаграммным соединением с подключенным мостовым выпрямителем» ) и, во-вторых, две трехфазных системы, электрически смещенных на 30°.
Полезные советы в помощь
В завершение рассказа об автомобильных генераторах стоит выделить ряд советов, что необходимо, а чего нельзя делать автовладельцам в процессе эксплуатации.
Главный момент — установка, в процессе которой важно с предельным вниманием подойти к подключению полярности. Если ошибиться в этом вопросе, выпрямительное устройство поломается и возрастает риск возгорания
Если ошибиться в этом вопросе, выпрямительное устройство поломается и возрастает риск возгорания.
Аналогичную опасность несет и пуск двигателя при некорректно подключенных проводах.
Чтобы избежать проблем в процессе эксплуатации, стоит придерживаться ряда правил:
Следите за чистотой контактов и контролируйте исправность электрической проводки автомобиля
Отдельное внимание уделите надежности соединения. В случае применения плохих контактных проводов уровень бортового напряжения выйдет за допустимый предел.
Следите за натяжкой генератора
В случае слабого натяжения источник питания не сможет выполнять поставленные задачи. Если же перетянуть ремень, это чревато быстрым износом подшипников.
Отбрасывайте провода от генератора и АКБ при выполнении электросварочных работ.
Если контрольная лампочка загорается и продолжает гореть после пуска мотора, выясните и устраните причину.
Отдельное внимание стоит уделить реле-регулятору, а также проверке напряжения на выходе источника питания. В режиме заряда этот параметр должен быть на уровне 13,9-14,5 Вольт
Кроме того, время от времени проверяйте износ и достаточность усилия щеток генератора, состояние подшипников и контактных колец.
Высота щеток должна измеряться при демонтированном держателе. Если последний износился до 8-10 мм, требуется замена.
Что касается усилия пружин, удерживающих щетки, оно должно быть на уровне 4,2 Н (для ВАЗ). При этом осматривайте контактные кольца — на них не должно быть следов масла.
Также автовладелец должен запомнить и ряд запретов, а именно:
- Не оставляйте машину с подключенной АКБ, если имеются подозрения поломки диодного моста. В противном случае аккумулятор быстро разрядится, и возрастает риск воспламенения проводки.
- Не проверяйте правильность работы генератора путем перемыкания его выводов или отключения АКБ при работающем двигателе. В этом случае возможна поломка электронных элементов, бортового компьютера или регулятора напряжения.
- Не допускайте попадания технических жидкостей на генератор.
- Не оставляйте включенным узел в случае, если клеммы АКБ были сняты. В противном случае это может привести к поломке регулятора напряжения и электрооборудования авто.
- Своевременно проводите замену ремня генератора.
Зная особенности работы генератора, нюансы его конструкции, основные неисправности и тонкости ремонта, можно избежать многих проблем с проводкой и АКБ.
Помните, что генератор — сложный узел, требующий особого подхода к эксплуатации.
Важно постоянно следить за ним, своевременно проводить профилактические мероприятия и замену деталей (при наличии такой необходимости). При таком подходе источник питания и сам автомобиль прослужат очень долго
При таком подходе источник питания и сам автомобиль прослужат очень долго.
История изобретения генератора электрического тока
Русский ученый Э.Х.Ленц еще в 1833г. указал на обратимость электрических машин: одна и та же машина может работать как электродвигатель, если ее питать током, и может служить генератором электрического тока, если ее ротор привести во вращение каким-либо двигателем, например паровой машиной. В 1838г. Ленц, один из членов комиссии по испытанию действия электрического мотора Якоби, на опыте доказал обратимость электрической машины.
Первый генератор электрического тока, основанный на явлении электромагнитной индукции, был построен в 1832г. парижскими техниками братьями Пиксин. Этим генератором трудно было пользоваться, так как приходилось вращать тяжелый постоянный магнит, чтобы в двух проволочных катушках, укрепленных неподвижно вблизи его полюсов, возникал переменный электрический ток. Генератор был снабжен устройством для выпрямления тока. Стремясь повысить мощность электрических машин, изобретатели увеличивали число магнитов и катушек. Одной из таких машин, построенной в 1843г., был генератор Эмиля Штерера. У этой машины было три сильных подвижных магнита и шесть катушек, вращавшихся от рук вокруг вертикальной оси. Таким образом, на первом этапе развития электромагнитных генераторов тока (до 1851г.) для получения магнитного поля применяли постоянные магниты. На втором этапе (1851-1867гг.) создавались генераторы, у которых для увеличения мощности постоянные магниты были заменены электромагнитами. Их обмотка питалась током от самостоятельного небольшого генератора тока с постоянными магнитами. Подобная машина была создана англичанином Генри Уальдом в 1863г.
При эксплуатации этой машины выяснилось, что генераторы, снабжая электроэнергией потребителя, могут одновременно питать током и собственные магниты. Оказалось, что сердечники электромагнитов сохраняют остаточный магнетизм после выключения тока. Благодаря этому генератор с самовозбуждением дает ток и тогда, когда его запускают из состояния покоя. В 1866-1867гг. ряд изобретателей получили патенты на машины с самовозбуждением.
В 1870г. бельгиец Зеноб Грамм, работавший во Франции, создал генератор, получивший широкое применение в промышленности. В своей динамо-машине он использовал принцип самовозбуждения и усовершенствовал кольцевой якорь, изобретенный еще в 1860 г.А.Пачинотти.
В одной из первых машин Грамма кольцевой якорь, укрепленный на горизонтальном валу, вращался между полюсными наконечниками двух электромагнитов. Якорь приводился во вращение через приводной шкив, обмотки электромагнитов были включены последовательно с обмоткой якоря. Генератор Грамма давал постоянный ток, который отводится с помощью металлических щеток, скользивших по поверхности коллектора. На Венской международной выставке в 1873г. демонстрировались две одинаковые машины Грамма, соединенные проводами длиной 1 км. Одна из машин приводилась в движение от двигателя внутреннего сгорания и служила генератором электрической энергии. Вторая машина получала электрическую энергию по проводам от первой и, работая как двигатель, приводила в движение насос. Это была эффектная демонстрация обратимости электрических машин, открытой Ленцем, и демонстрация принципа передачи энергии на расстояние.
До того, как была открыта связь между электричеством и магнетизмом, использовались электростатические генераторы, которые работали на основе принципов электростатики. Они могли вырабатывать высокое напряжение, но имели маленький ток. Их работа была основана на использовании наэлектризованных ремней, пластин и дисков для переноса электрических зарядов с одного электрода на другой.
Заряды вырабатывались, используя один из двух механизмов:
- Электростатическую индукцию
- Трибоэлектрический эффект, при котором электрический заряд возникал из-за механического контакта двух диэлектриков
По причине низкой эффективности и сложностей с изоляцией машин, вырабатывающих высокие напряжения, электростатические генераторы имели низкую мощность и никогда не использовались для выработки электроэнергии в значимых для промышленности масштабах. Примерами доживших до наших дней машин подобного рода являются электрофорная машина и генератор Ван де Граафа.
Классификация
Различают два вида генераторов постоянного тока:
- с независимым возбуждением обмоток;
- с самовозбуждением.
Для самовозбуждения генераторов используют электричество, вырабатываемое самим устройством. По принципу соединения обмоток якоря самовозбуждающиеся альтернаторы с делятся на типы:
- устройства с параллельным возбуждением;
- альтернаторы с последовательным возбуждением;
- устройства смешанного типа (компудные генераторы).
Рассмотрим более подробно особенности каждого типа соединения якорных обмоток.
С параллельным возбуждением
Для обеспечения нормальной работы электроприборов, требуется наличие стабильного напряжения на зажимах генераторов, не зависящее от изменения общей нагрузки. Задача решается путём регулировки параметров возбуждения. В альтернаторах с параллельным возбуждением выводы катушки подключены через регулировочный реостат параллельно якорной обмотке.
Реостаты возбуждения могут замыкать обмотку «на себя». Если этого не сделать, то при разрыве цепи возбуждения, в обмотке резко увеличится ЭДС самоиндукции, которая может пробить изоляцию. В состоянии, соответствующем короткому замыканию, энергия рассеивается в виде тепла, предотвращая разрушение генератора.
Электрические машины с параллельным возбуждением не нуждаются во внешнем источнике питания. Благодаря наличию остаточного магнетизма всегда присутствующего в сердечнике электромагнита происходит самовозбуждение параллельных обмоток. Для увеличения остаточного магнетизма в катушках возбуждения сердечники электромагнитов делают из литой стали.
Процесс самовозбуждения продолжается до момента, пока сила тока не достигнет своей предельной величины, а ЭДС не выйдет на номинальные показатели при оптимальных оборотах вращения якоря.
Достоинство: на генераторы с параллельным возбуждением слабо влияют токи при КЗ.
С независимым возбуждением
В качестве источника питания для обмоток возбуждения часто используют аккумуляторы или другие внешние устройства. В моделях маломощных машин используют постоянные магниты, которые обеспечивают наличие основного магнитного потока.
На валу мощных генераторов расположен генератор-возбудитель, вырабатывающий постоянный ток для возбуждения основных обмоток якоря. Для возбуждения достаточно 1 – 3% номинального тока якоря и не зависит от него. Изменение ЭДС осуществляется регулировочным реостатом.
Преимущество независимого возбуждения состоит в том, что на возбуждающий ток никак не влияет напряжение на зажимах. А это обеспечивает хорошие внешние характеристики альтернатора.
С последовательным возбуждением
Последовательные обмотки вырабатывают ток, равен току генератора. Поскольку на холостом ходе нагрузка равна нулю, то и возбуждение нулевое. Это значит, что характеристику холостого хода невозможно снять, то есть регулировочные характеристики отсутствуют.
В генераторах с последовательным возбуждением практически отсутствует ток, при вращении ротора на холостых оборотах. Для запуска процесса возбуждения необходимо к зажимам генератора подключить внешнюю нагрузку. Такая выраженная зависимость напряжения от нагрузки является недостатком последовательных обмоток. Такие устройства можно использовать только для питания электроприборов с постоянной нагрузкой.
Со смешанным возбуждением
Полезные характеристики сочетают в себе конструкции генераторов со смешанным возбуждением. Их особенности: устройства имеют две катушки – основную, подключённую параллельно обмоткам якоря и вспомогательную, которая подключена последовательно. В цепь параллельной обмотки включён реостат, используемый для регулировки тока возбуждения.
Процесс самовозбуждения альтернатора со смешанным возбуждением аналогичен тому, который имеет генератор с параллельными обмотками (из-за отсутствия начального тока последовательная обмотка в самовозбуждении не участвует). Характеристика холостого хода такая же, как у альтернатора с параллельной обмоткой. Это позволяет регулировать напряжения на зажимах генератора.
Смешанное возбуждение сглаживает пульсацию напряжения при номинальной нагрузке. В этом состоит главное преимущество таких альтернаторов перед прочими типами генераторов. Недостатком является сложность конструкции, что ведёт к удорожанию этих устройств. Не терпят такие генераторы и коротких замыканий.
Принцип работы автомобильного генератора, особенности схемы
Принцип действия генераторного узла построен на эффекте электромагнитной индукции.
В случае прохождения магнитного потока через катушку и его изменения, на выводах появляется и меняется напряжение (в зависимости от скорости изменения потока). Аналогичным образом работает и обратный процесс.
Так, для получения магнитного потока требуется подать на катушку напряжение.
Выходит, что для создания переменного напряжения требуются две составляющие:
- Катушка (именно с нее снимается напряжение).
- Источник магнитного поля.
Не менее важным элементом, как отмечалось выше, является ротор, выступающий в роли источника магнитного поля.
У полюсной системы узла присутствует остаточный магнитный поток (даже при отсутствии тока в обмотке).
Этот параметр небольшой, поэтому способен вызвать самовозбуждение только на повышенных оборотах. По этой причине по обмотке ротора пропускают сначала небольшой ток, обеспечивающий намагничивание устройства.
Упомянутая выше цепочка подразумевает прохождение тока от АКБ через лампочку контроля.
Главный параметр здесь — сила тока, которая быть в пределах нормы. Если ток будет завышенным, аккумулятор быстро разрядится, а если заниженным — возрастет риск возбуждения генератора на ХХ мотора (холостых оборотах).
С учетом этих параметров подбирается и мощность лампочки, которая должна составлять 2-3 Вт.
Как только напряжение достигает требуемого параметра, лампочка гаснет, а обмотки возбуждения питаются от самого автомобильного генератора. При этом источник питания переходит в режим самовозбуждения.
Снятие напряжения производится со статорной обмотки, которая выполнена в трехфазном исполнении.
Узел состоит 3-х индивидуальных (фазных) обмоток, намотанных по определенному принципу на магнитопроводе.
Токи и напряжения в обмотках смещены между собой на 120 градусов. При этом сами обмотки могут собираться в двух вариантах — «звездой» или «треугольником».
Если выбрана схема «треугольник», фазные токи в 3-х отмотках будут в 1,73 раза меньше, чем общий ток, отдаваемый генераторной установкой.
Вот почему в автомобильных генераторах большой мощности чаще всего применяется схема «треугольника».
Это как раз объясняется меньшими токами, благодаря которым удается намотать обмотку проводом меньшего сечения.
Такой же провод можно использовать и в соединениях типа «звезда».
Чтобы созданный магнитный поток шел по назначению, и направлялся к статорной обмотке, катушки находятся в специальных пазах магнитопровода.
Из-за появления магнитного поля в обмотках и в статорном магнитопроводе, появляются вихревые токи.
Действие последних приводит к нагреву статора и снижению мощности генератора. Для уменьшения этого эффекта при изготовлении магнитопровода применяются стальные пластины.
Выработанное напряжение поступает в бортовую сеть через группу диодов (выпрямительный мост), о котором упоминалось выше.
После открытия диоды не создают сопротивления, и дают току беспрепятственно проходить в бортовую сеть.
Но при обратном напряжении I не пропускается. Фактически, остается только положительная полуволна.
Некоторые производители автомобилей для защиты электроники меняют диоды на стабилитроны.
Главной особенностью деталей является способность не пропускать ток до определенного параметра напряжения (25-30 Вольт).
После прохождения этого предела стабилитрон «пробивается» и пропускает обратный ток. При этом напряжение на «плюсовом» проводе генератора остается неизменным, что не несет риски для устройства.
К слову, способность стабилитрона поддерживать на выводах постоянное U даже после «пробоя» применяется в регуляторах.
В результате после прохождения диодного моста (стабилитронов) напряжение выпрямляется, становится постоянным.
У многих типов генераторных установок обмотка возбуждения имеет свой выпрямитель, собранный из 3-х диодов.
Благодаря такому подключению, протекание тока разряда от АКБ исключено.
Диоды, относящиеся к обмотке возбуждения, работают по аналогичному принципу и питают обмотку постоянным напряжением.
Здесь выпрямительное устройство состоит из шести диодов, три их которых являются отрицательными.
В процессе работы генератора ток возбуждения ниже параметра, который отдает автомобильный генератор.
Следовательно, для выпрямления тока на обмотке возбуждения достаточно диодов с номинальным током до двух Ампер.
Для сравнения силовые выпрямители имеют номинальный ток до 20-25 Ампер. Если требуется увеличить мощность генератора, ставится еще одно плечо с диодами.
