Как устроен генератор переменного тока — назначение и принцип действия

Люди пользуются энергией электрического тока практически во всех сферах своей деятельности. Сейчас нелегко представить жизнь без электричества, которое с помощью специального оборудования преобразуется из механической энергии. Рассмотрим подробнее, как происходит этот процесс, и как устроены современные генераторы.

Устройство и конструкция генератора переменного тока

Стандартный электрогенератор имеет следующие компоненты:

• Раму, к которой закреплен статор с электромагнитными полюсами. Изготовлена она из металла и должна выполнять защитную функцию всех элементов механизма.
• Статор, к которому крепится обмотка. Изготавливается он из ферромагнитной стали.
• Ротор – подвижный элемент, на сердечнике которого располагается обмотка, образующая электрический ток.
• Узел коммутации, который отводит электричество с ротора. Представляет собой систему подвижных токопроводящих колец.

В зависимости от назначения, генератор имеет определенные особенности конструкции, но существуют два компонента, которыми обладает любое устройство, конвертирующее механическую энергию в электричество:

1. Ротор – подвижная цельная деталь из железа;
2. Статор – неподвижный элемент, который изготовлен из железных листов. Внутри него есть пазы, внутри которых располагается проволочная обмотка.

Для получения большей магнитной индукции, между этими элементами должно быть небольшое расстояние. По своей конструкции генераторы бывают:

• С подвижным якорем и статическим магнитным полем.
• С неподвижным якорем и вращающимся магнитным полем.

Принцип действия генератора

Принцип действия генератора основан на законе электромагнитной ин­дукции, со­гласно которого при движении проводника в магнитном поле при пересечении про­водником магнитных силовых линий в проводнике индуци­руется ЭДС, пропорцио­нальная величине электромагнитной индукции, ско­рости движения проводника, длине проводника в магнитном поле:

Е=BlV ×sinά,где ά– угол между направлением движения проводника и направлением магнитных силовых линий. Таким образом, мак­симальное значение ЭДС получается, когда угол ά

= 90°, то есть движение происходит под прямым углом.

При ά

= 0° проводник скользит вдоль магнитных силовых линий и ЭДС при этом не индуцируется. Направление тока в проводнике при замкнутой цепи можно опреде­лить по правилу правой руки:
Если правую руку по­местить между полюсами магнита так, чтобы силовые линии входили в ладонь, а отведённый в сто­рону большой палец совпадал с направлением движения проводника, то остальные пальцы по­кажут направление тока.
Рассмотрим процессы, происходящие в проводнике в виде рамки, вра­щающейся принудительно в поле постоянного магнита (рис.3.1. и 3.2.).

Если рамка изначально располагается в горизонтальной плоскости, угол между силовыми ли­ниями и направлением движения проводников рамки ά

= 0°, соответст­венно и ЭДС = 0. По мере поворота рамки появля­ется составляющая вектора дви­жения про­водников, перпендикулярная по от­ношению к магнитным силовым линиям.

Рис.3.1. Вращение рамки в поле постоянного магнита.

Появляется и ЭДС, которая по мере поворота рамки растёт по закону синусоиды, так как по закону синуса возрастает составляющая движения проводников, перпенди­кулярная к магнитным силовым линиям. При пово­роте рамки на угол 90° угол между направлением движения и магнитными силовыми линиями составляет 90°. При этом ЭДС достигает максимального значения. При дальнейшем повороте рамки составляющая вектора движения проводников, пераендику-

Рис. 3.2. Изменение направления движения ветвей рамки при её враще­нии

лярная по отноше­нию к магнитным силовым ли­ниям снова начинает убывать, уменьшается значение sinά, что приводит к уменьшению ЭДС. При ά

=180°
sinά
= 0
. Таким образом при повороте рамки на угол от 0° до 180° ЭДС сначала растёт, достигая максимума при угле 90°, а затем уменьшается до нуля.
Затем процесс повторяется. Но ввиду того, что составляющая вектора движения, перпендикулярная к магнитным силовым линиям, направлена в противоположную сторону, скорость теперь имеет знак « — » (минус). График изменения ЭДС в зависимости от угла поворота рамки представляет собой синусоиду (рис.3.3,).

Таким образом на выходе устройства получен переменный ток, час­тота которого прямо пропорциональна частоте вращения рамки.

Для получения постоянного тока необходимо использовать устройство, переключающее проводники рамки при достижении нулевого значения ЭДС.

Рис. 3.3. Зависимость E

от угла поворота рамки.

Такое устройство в генераторах и электродвигателях постоянного тока получило название коллектор. Для рамки простейшим коллектором являются два полукольца 3, которые соединены с концами проводников рамки (рис.3.4.).С полукольцами контактируют щётки 4, которые с определённым усилием прижимаются к поверхности полуколец (поверхности коллектора), образуя скользящий контакт. Щётки, в свою очередь, соединены с внешней электрической цепью.

Рис. 3.4. Принцип построения генератора постоянного тока

Как было рассмотрено ранее, при нахождении рамки в горизонтальной плоскости ЭДС равна нулю. При вращении рамки ЭДС начинает расти и дос­тигает максимума при повороте на угол 90°, после чего начинает убывать и при повороте на угол 180° становится равной нулю.

При этом рамка занимает такое же положение, как в начальный момент времени. Разница только в том, что ветви рамки поменялись местами. По­этому при продолжении вращения рамки ЭДС снова начнёт расти, что обес­печивает коммутация с помощью коллектора. При этом график зависимости ЭДС от угла поворота будет состоять только из положительных полуволн. Таким образом из переменного тока получен пульсирующий.

Рис. 3.5. Зависимость Е

от угла поворота рамки при использовании двух полуколец

Если взять две рамки, расположенных по отношению друг к другу под углом 90°, а коллектор представить в виде кольца, разрезанного на четыре части, то график зависимости ЭДС от угла поворота рамки будет выглядеть, как огибающая для двух одинаковых графиков, построенных для одной рамки (рис.3.5), со сдвигом 90°. Таким образом, зависимость ЭДС от угла по­ворота будет выглядеть, как относительно небольшая пульсация относи­тельно среднего уровня.

Рис. 3.6. Зависимость Е

от угла поворота при использовании двух ра­мок, расположенных под углом 90° друг к другу

Увеличивая количество рамок (количество витков якорной обмотки ге­нератора) и количество контактных элементов коллектора, можно получить практически постоянное значение ЭДС.

Реальный генератор состоит укрупнено из трёх функциональных узлов:

— статор;

— ротор (якорь);

— коллекторно-щёточный узел.

Статор (рис.3.7.) представляет собой неподвижную часть генератора с выполненными в нём катушками обмотки возбуждения, полюсами и щётко­держателем. С торцевой части статора находится подшипниковый щит. На одной из торцевых частей для подвода охлаждающего воздуха крепится пат­рубок, соединённый со специальным воздухозаборником на мотогондоле. С противоположной стороны нагретый воздух выходит через жалюзи.

Рис.3.7. Устройство генератора постоянного тока

1 – коллектор; 2 – щётки; 3 сердечник якоря; 4 – главный полюс; 5 – катушка обмотки возбуждения; 6 – корпус; 7 –подшипниковый щит; 8 вентилятор; 9 – об­мотка якоря.

Якорь (ротор) находится внутри статора. Его вал вращается на шари­коподшипниках. На якоре выполнена рабочая обмотка генератора, в витках которой аналогично рассмотренному индуцируется ЭДС. Для снятия элек­троэнергии на валу якоря установлен коллектор (1), который выполняют в виде цилиндра с расположенными на нём пластинами из твёрдотянутой меди. На противоположном конце вала расположена крыльчатка вентилятора (8), благодаря которой обеспечивается принудительное охлаждение генератора на земле, при неподвижном самолёте.

Коллекторно-щёточный узелвключает в себя коллектор и щётко­держатель с расположенными в нём щётками (2). Щётки (рис.3.8) изготавли­вают из материалов, содержащих углерод, обеспечивающих низкое электри­ческое сопротивление и высокую износостойкость. Щётки свободно переме­щаются внутри щёткодержателей и с помощью тарированных пружин с за­данным усилием прижимаются к поверхности коллектора. Коллекторно-щё­точный узелявляется слабым местом генератора постоянного тока. В про­цессе эксплуатации необходим контроль высоты щёток и состояния коллек­тора с целью определения степени их износа. При повышенной

Рис.3.8. Щётки малой (а) и большой (б) мощности.

степени износа щёток возможно их зависание, что может привести в полёте к отказу генератора.

Наличие коллекторно-щёточного узла является основным недостатком генераторов постоянного тока. При передаче через скользящий контакт большой мощности происходит интенсивное искрение и выгорание как щё­ток, так и коллектора. В мировой практике для самолётных генераторов по­стоянного тока принято ограничение по мощности 18 кВт.

Принцип действия генератора основан на законе электромагнитной ин­дукции, со­гласно которого при движении проводника в магнитном поле при пересечении про­водником магнитных силовых линий в проводнике индуци­руется ЭДС, пропорцио­нальная величине электромагнитной индукции, ско­рости движения проводника, длине проводника в магнитном поле:

Е=BlV ×sinά,где ά– угол между направлением движения проводника и направлением магнитных силовых линий. Таким образом, мак­симальное значение ЭДС получается, когда угол ά

= 90°, то есть движение происходит под прямым углом.

При ά

= 0° проводник скользит вдоль магнитных силовых линий и ЭДС при этом не индуцируется. Направление тока в проводнике при замкнутой цепи можно опреде­лить по правилу правой руки:
Если правую руку по­местить между полюсами магнита так, чтобы силовые линии входили в ладонь, а отведённый в сто­рону большой палец совпадал с направлением движения проводника, то остальные пальцы по­кажут направление тока.
Рассмотрим процессы, происходящие в проводнике в виде рамки, вра­щающейся принудительно в поле постоянного магнита (рис.3.1. и 3.2.).

Если рамка изначально располагается в горизонтальной плоскости, угол между силовыми ли­ниями и направлением движения проводников рамки ά

= 0°, соответст­венно и ЭДС = 0. По мере поворота рамки появля­ется составляющая вектора дви­жения про­водников, перпендикулярная по от­ношению к магнитным силовым линиям.

Рис.3.1. Вращение рамки в поле постоянного магнита.

Появляется и ЭДС, которая по мере поворота рамки растёт по закону синусоиды, так как по закону синуса возрастает составляющая движения проводников, перпенди­кулярная к магнитным силовым линиям. При пово­роте рамки на угол 90° угол между направлением движения и магнитными силовыми линиями составляет 90°. При этом ЭДС достигает максимального значения. При дальнейшем повороте рамки составляющая вектора движения проводников, пераендику-

Рис. 3.2. Изменение направления движения ветвей рамки при её враще­нии

лярная по отноше­нию к магнитным силовым ли­ниям снова начинает убывать, уменьшается значение sinά, что приводит к уменьшению ЭДС. При ά

=180°
sinά
= 0
. Таким образом при повороте рамки на угол от 0° до 180° ЭДС сначала растёт, достигая максимума при угле 90°, а затем уменьшается до нуля.
Затем процесс повторяется. Но ввиду того, что составляющая вектора движения, перпендикулярная к магнитным силовым линиям, направлена в противоположную сторону, скорость теперь имеет знак « — » (минус). График изменения ЭДС в зависимости от угла поворота рамки представляет собой синусоиду (рис.3.3,).

Таким образом на выходе устройства получен переменный ток, час­тота которого прямо пропорциональна частоте вращения рамки.

Для получения постоянного тока необходимо использовать устройство, переключающее проводники рамки при достижении нулевого значения ЭДС.

Рис. 3.3. Зависимость E

от угла поворота рамки.

Такое устройство в генераторах и электродвигателях постоянного тока получило название коллектор. Для рамки простейшим коллектором являются два полукольца 3, которые соединены с концами проводников рамки (рис.3.4.).С полукольцами контактируют щётки 4, которые с определённым усилием прижимаются к поверхности полуколец (поверхности коллектора), образуя скользящий контакт. Щётки, в свою очередь, соединены с внешней электрической цепью.

Рис. 3.4. Принцип построения генератора постоянного тока

Как было рассмотрено ранее, при нахождении рамки в горизонтальной плоскости ЭДС равна нулю. При вращении рамки ЭДС начинает расти и дос­тигает максимума при повороте на угол 90°, после чего начинает убывать и при повороте на угол 180° становится равной нулю.

При этом рамка занимает такое же положение, как в начальный момент времени. Разница только в том, что ветви рамки поменялись местами. По­этому при продолжении вращения рамки ЭДС снова начнёт расти, что обес­печивает коммутация с помощью коллектора. При этом график зависимости ЭДС от угла поворота будет состоять только из положительных полуволн. Таким образом из переменного тока получен пульсирующий.

Рис. 3.5. Зависимость Е

от угла поворота рамки при использовании двух полуколец

Если взять две рамки, расположенных по отношению друг к другу под углом 90°, а коллектор представить в виде кольца, разрезанного на четыре части, то график зависимости ЭДС от угла поворота рамки будет выглядеть, как огибающая для двух одинаковых графиков, построенных для одной рамки (рис.3.5), со сдвигом 90°. Таким образом, зависимость ЭДС от угла по­ворота будет выглядеть, как относительно небольшая пульсация относи­тельно среднего уровня.

Рис. 3.6. Зависимость Е

от угла поворота при использовании двух ра­мок, расположенных под углом 90° друг к другу

Увеличивая количество рамок (количество витков якорной обмотки ге­нератора) и количество контактных элементов коллектора, можно получить практически постоянное значение ЭДС.

Реальный генератор состоит укрупнено из трёх функциональных узлов:

— статор;

— ротор (якорь);

— коллекторно-щёточный узел.

Статор (рис.3.7.) представляет собой неподвижную часть генератора с выполненными в нём катушками обмотки возбуждения, полюсами и щётко­держателем. С торцевой части статора находится подшипниковый щит. На одной из торцевых частей для подвода охлаждающего воздуха крепится пат­рубок, соединённый со специальным воздухозаборником на мотогондоле. С противоположной стороны нагретый воздух выходит через жалюзи.

Рис.3.7. Устройство генератора постоянного тока

1 – коллектор; 2 – щётки; 3 сердечник якоря; 4 – главный полюс; 5 – катушка обмотки возбуждения; 6 – корпус; 7 –подшипниковый щит; 8 вентилятор; 9 – об­мотка якоря.

Якорь (ротор) находится внутри статора. Его вал вращается на шари­коподшипниках. На якоре выполнена рабочая обмотка генератора, в витках которой аналогично рассмотренному индуцируется ЭДС. Для снятия элек­троэнергии на валу якоря установлен коллектор (1), который выполняют в виде цилиндра с расположенными на нём пластинами из твёрдотянутой меди. На противоположном конце вала расположена крыльчатка вентилятора (8), благодаря которой обеспечивается принудительное охлаждение генератора на земле, при неподвижном самолёте.

Коллекторно-щёточный узелвключает в себя коллектор и щётко­держатель с расположенными в нём щётками (2). Щётки (рис.3.8) изготавли­вают из материалов, содержащих углерод, обеспечивающих низкое электри­ческое сопротивление и высокую износостойкость. Щётки свободно переме­щаются внутри щёткодержателей и с помощью тарированных пружин с за­данным усилием прижимаются к поверхности коллектора. Коллекторно-щё­точный узелявляется слабым местом генератора постоянного тока. В про­цессе эксплуатации необходим контроль высоты щёток и состояния коллек­тора с целью определения степени их износа. При повышенной

Рис.3.8. Щётки малой (а) и большой (б) мощности.

степени износа щёток возможно их зависание, что может привести в полёте к отказу генератора.

Наличие коллекторно-щёточного узла является основным недостатком генераторов постоянного тока. При передаче через скользящий контакт большой мощности происходит интенсивное искрение и выгорание как щё­ток, так и коллектора. В мировой практике для самолётных генераторов по­стоянного тока принято ограничение по мощности 18 кВт.

Классификация и виды генераторов

Все электрогенераторы можно распределить по критерию работы и по типу топлива, из которого и образуется электроэнергия. Все генераторы делятся на однофазные (выход напряжения 220 Вольт, частота 50 Гц) и трехфазные (380 Вольт с частотой 50 Гц), а также по принципу работы и типу топлива, которое конвертируется в электричество. Ещё генераторы могут использоваться в разных сферах, что определяет их технические характеристики.

По принципу работы

Разделяют асинхронные и синхронные генераторы переменного тока.

Асинхронный

У асинхронных электрогенераторов нет точной зависимости ЭДС от частоты вращения ротора, но здесь работает такой термин, как «скольжение S». Оно определяет эту разницу. Величина скольжения вычисляется, поэтому некоторое влияние элементов генератора в электромеханическом процессе асинхронного двигателя все же есть.

Синхронный

Такой генератор обладает физической зависимостью от вращательного движения ротора к генерируемой частоте электроэнергии. В таком устройстве ротор является электромагнитом, состоящим из сердечников, обмоток и полюсов. Статором являются катушки, которые соединены по принципу звезды, и имеющими общую точку – ноль. Именно в них вырабатывается электрический ток. Ротор приводит в движение посторонняя сила подвижных элементов (турбин), которые двигаются синхронно. Возбуждение такого генератора переменного тока может быть, как контактным, так и бесконтактным.

По типу топлива двигателя

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

Область применения

Переменный ток широко распространен. На сегодняшний день на переменном токе работает почти вся бытовая техника и промышленность. Связано это с тем, что переменный ток передается на большие расстояния, с гораздо меньшими потерями, нежели постоянный. Также, переменный ток, легко преобразуется в постоянный с помощью диодных выпрямителей. Постоянный ток, преобразовать в переменный невозможно.

Генераторы переменного тока используются на всех электростанциях.

Промышленные электрогенераторы переменного тока используются для обеспечения аварийного автономного питания больниц, школ, детских садов, торговых и промышленных объектов. Также промышленные генераторные установки используются при строительстве новых объектов, это позволяет использовать электрооборудование на участках, где отсутствуют другие источники электроэнергии.

В бытовых дизельных и бензиновых установках для различных целей. Это и обеспечение автономного питания, в случае отключения линии электроэнергии, и ее получение в местах, где линия электропередач отсутствует.

Как работает электрогенератор?

Работа электрогенератора состоит во взаимодействии статора, ротора и контактных колец. Статор во включенном генераторе остается неподвижным. Расстояние между статором и ротором составляет всего лишь несколько миллиметров, поэтому между ними возникает очень сильное магнитное поле, и в обмотке ротора появляется электрический ток большой мощности. Обмотка статора при подаче напряжения от внешнего источника превращается в электромагнит.

Ротор соединен с валом механического устройства (двигатель внутреннего сгорания, ветряной или водяной двигатель и т. п.) и вращается во время работы генератора. Обмотка ротора в момент своего движения постоянно пересекает магнитное поле, создаваемое обмотками статора, и в ней образуется электрический ток.

Такая конструкция позволила избавиться от больших и тяжелых постоянных магнитов. Контактные кольца предназначены для съема электрической энергии с обмоток ротора. Они представляют собой барабан со множеством медных пластин, к которым подключены обмотки ротора. Снаружи с ними соприкасаются графитовые щетки, к которым с помощью проводов подключен потребитель электрической энергии.