Как возникает электрический ток в генераторных станциях? Устройство генератора

Работа генератора предполагает наличие статора и ротора, вращением которого и обеспечивается ЭДС. Как правило, используется компоновка с неподвижной внешней обмоткой статора и магнитным ротором, хотя строение генератора может быть и обратным, с неподвижным магнитом и на скользящих контактах.

Корпус статора компонуется из изолированных металлических частей, с внутренней стороны крепится статорная обмотка. Ротор – из цельного железа, с листовыми наборными магнитными полюсами. На сердечники установлены возбуждающие катушки, запитанные от постоянного тока, приходящего на контактные кольца со щёточных контактов. Существуют следующие конструктивные варианты по току возбуждения:

• от стороннего источника энергии – батареи или аккумулятора (независимое возбуждение);
• от возбудителя, генерирующего постоянный ток меньшей мощности на том же валу (возбудителя);
• от инвертора – выпрямленным током самого генератора (самовозбуждение);
• с помощью постоянного магнита.

Доступны агрегаты однофазной и трёхфазной компоновки. Под фазами понимается сдвиг нескольких синусоид относительно друг друга по времени. Для трёхфазных возможно соединение обмоток типа «треугольник» или «звёздочка». Используется и четвёртый, нейтральный провод – для выравнивания перекоса фаз.

Сложности визуализации

Большинству людей не составляет труда разобраться с такими понятиями, как «давление», «количество» и «поток», поскольку в своей повседневной жизни они постоянно сталкиваются с ними. Например, легко понять, что увеличение потока при поливе цветов увеличит количество воды, выходящей из поливочного шланга, в то время как увеличение давления воды заставит ее двигаться быстрее и с большей силой.

Электрические термины, такие как «напряжение» и «ток», обычно трудно понять, поскольку нельзя увидеть или почувствовать электричество, движущееся по кабелям и электрическим контурам. Даже начинающему электрику чрезвычайно сложно визуализировать происходящее на молекулярном уровне или даже четко понять, что собой представляет, например, электрон. Эта частица находятся вне пределов сенсорных возможностей человека, ее невозможно увидеть и к ней нельзя прикоснуться, за исключением случаев, когда определенное количество их не пройдет через тело человека. Только тогда пострадавший определенно ощутит их и испытывает то, что обычно называют электрическим шоком.

Тем не менее, открытые кабели и провода большинству людей кажутся совершенно безвредными только потому, что они не могут увидеть электронов, только и ждущих того, чтобы пойти по пути наименьшего сопротивления, которым обычно является земля.

Генераторы переменного тока

Генераторы переменного тока позволяют получать большие токи при достаточно высоком напряжении. В настоящее время имеется несколько типов индукционных генераторов.

Они состоят из электромагнита или постоянного магнита, создающие магнитное поле, и обмотки, в которой индуцируется переменная ЭДС. Так как ЭДС, наводимые в последовательно соединенных витках, складываются, то амплитуда ЭДС индукции в рамке пропорциональна числу витков в ней. Она пропорциональна также амплитуде переменного магнитного потока через каждый виток. Для получения большого магнитного потока в генераторах применяют специальную магнитную систему, состоящую из двух сердечников, сделанных из электротехнической стали. Обмотки, создающие магнитное поле, размещены в пазах одного из сердечников, а обмотки, в которых индуцируется ЭДС, — в пазах другого. Один из сердечников (обычно внутренний) вместе со своей обмоткой вращается вокруг горизонтальной или вертикальной оси. Поэтому он называется ротором.

Неподвижный сердечник с его обмоткой называют статором. Зазор между сердечниками статора и ротора делают как можно меньшим. Этим обеспечивается наибольшее значение потока магнитной индукции. В больших промышленных генераторах вращается электромагнит, который является ротором, в то время как обмотки, в которых наводится ЭДС, уложены в пазах статора и остаются неподвижными.

Подводить ток к ротору или отводить его из обмотки ротора во внешнюю цепь приходится при помощи скользящих контактов. Для этого ротор снабжается контактными кольцами, присоединенными к концам его обмотки. Неподвижные пластины — щетки — прижаты к кольцам и осуществляют связь обмотки ротора с внешней цепью. Сила тока в обмотках электромагнита, создающего магнитное поле, значительно меньше силы тока, отдаваемого генератором во внешнюю цепь. Поэтому генерируемый ток удобнее снимать с неподвижных обмоток, а через скользящие контакты подводить сравнительно слабый ток к вращающемуся электромагниту. Этот ток вырабатывается отдельным генератором постоянного тока (возбудителем), расположенным на том же валу.

В маломощных генераторах магнитное поле создается вращающимся постоянным магнитом. В таком случае кольца и щетки вообще не нужны. Появление ЭДС в неподвижных обмотках статора объясняется возникновением в них вихревого электрического поля, порожденного изменением магнитного потока при вращении ротора.

Обмотки возбуждения синхронных генераторов бывают двух типов: с явнополюсными и неявнополюсными роторами. В генераторах с явнополюсными роторами полюса, несущие обмотки возбуждения, выступают из индуктора. Генераторы такого типа рассчитаны на сравнительно низкие частоты вращения, для работы с приводом от поршневых паровых машин, дизельных двигателей, гидротурбин. Паровые и газовые турбины используются для привода синхронных генераторов с неявнополюсными роторами. Ротор такого генератора представляет собой стальную поковку с фрезерованными продольными пазами для витков обмотки возбуждения, которые обычно выполняются в виде медных пластин. Витки закрепляются в пазах, а поверхность ротора шлифуется и полируется для снижения уровня шума и потерь мощности, связанных с сопротивлением воздуха.

Обмотки генераторов по большей части делают трехфазными — на выходных зажимах генератора вырабатываются три синусоидальных напряжения переменного тока, поочередно достигающих своего максимального амплитудного значения. В механике редко встречается подобное сочетание движущихся частей, которые могли бы порождать энергию столь же непрерывно и экономично.

Мощные синхронные генераторы охлаждаются водородом . Современный генератор электрического тока — это внушительное сооружение из медных проводов, изоляционных материалов и стальных конструкций. При размерах в несколько метров важнейшие детали генераторов изготовляются с точностью до миллиметра.

Как устроены батареи электромобилей:

Тесла рассердился и отправился к главному конкуренту, адепту переменного тока Джорджу Вестингаузу. Так началась «Война токов», окончательно проигранная постоянным током только в 2007 году, когда Нью-Йорк последним из городов перешел на ток переменный.

Генераторы Эдисона вырабатывали электричество с напряжением, близким к потребительскому: 100-200 вольт. Это удобно для домов, но его сложно передавать на большие расстояния из-за сопротивления проводов. Тут было два решения: увеличивать диаметр кабелей или повышать напряжение. Первый вариант позволял делать линии длинной 1,5 километра. Да, совсем немного. Второй вариант был невозможен из-за отсутствия в те годы эффективных способов повышения напряжения постоянного тока.

Однако еще в 1876 году русский ученый Павел Яблочков изобрел трансформатор, меняющий напряжение переменного тока. Подача энергии на большие расстояния перестала быть проблемой.

Но была другая проблема. Лампочкам Эдисона все равно от какого тока питаться: постоянного или переменного. А вот с электродвигателями сложнее: они в те годы требовали только постоянного. В 1888 году Тесла запатентовал в США асинхронный электрический двигатель переменного тока. Он же изобрел и синхронный генератор, впоследствии использованный и как двигатель. Это второй и третий герои нашей статьи.

Так поговорим же о них поподробнее

Двигатель постоянного тока на перманентных магнитах

Если в детстве вам доводилось разбирать игрушечные электрические машинки, то вы должны помнить устройство их простейших двигателей. Для остальных напомним. Все применяемые в электромобилях моторы состоят из двух частей: неподвижного статора и вращающегося ротора.

В игрушечных машинах на статоре стоят постоянные магниты, а на роторе – электрические переменные. При вращении на них через специальные щетки подается постоянный ток от батареек, и их последовательное включение и обеспечивает движение.

Похожая конструкция встречается практически у всех электромобилей. С одним отличием: на роторе там стоят постоянные магниты, а на статоре, напротив, электрические и переменные. Так в том числе можно избавиться от щеток: одного из немногих элементов электродвигателя, который подвержен износу.

Преимущество моторов на постоянных машинах в том, что они легкие, компактные, мощные, эффективные, работают от вырабатываемого аккумуляторами постоянного тока… так, стоп! А какие недостатки?

Недостаток прост. Таким моторам не хватает тяги. Так перейдем же к асинхронным инверсионным моторам переменного тока.

Tesla: не жалейте заварки

Бородатый анекдот про умирающего мастера заваривать чай, который делился своим секретом словами «не жалейте заварки» – это прям притча про компанию Tesla. Вопреки расхожему мнению, ее основал не Илон Маск (он позже стал главным инвестором и владельцем), а Мартин Эберхард и его партнер Марк Тарпенинг.

Эти двое придумали немыслимое. Создать не тихоходный, эффективный и относительно дешевый электрокар, а дорогой, быстрый и клевый. Маск же первым идею оценил и быстро прибрал ее к рукам.

Имя компании Tesla не случайно. Одной из ее технических революций стало использование асинхронного двигателя без постоянных магнитов, работающего на переменном токе – того самого, который изобрел Никола Тесла. Эта конструкция дороже как сама по себе, так и благодаря необходимости в установке преобразователя постоянного тока от батареи в переменный для электродвигателя. Успешное решение данной задачи и стало первым из множества теперь уже легендарных прорывов «Теслы».

Благодаря мощному асинхронному мотору электрокары Tesla с самого начала были очень динамичным, что стало ключевой причиной роста их популярности. В таком моторе переменный ток в обмотке статора создает вращающееся магнитное поле. Оно вызывает индукцию в роторе, заставляя его вращаться чуть медленнее, чем вращение самого поля – поэтому двигатель и называется асинхронным. Если скорости вращения синхронизируются, поле перестает создавать в роторе индукцию, и он начинает замедляться, рассинхронизируясь обратно. Важно заметить, что собственно на ротор никакого электричества напрямую не подается.

Renault: французы такие выдумщики

Итак, есть еще третий тип электрического двигателя, который встречается в современных электромобилях: синхронный на электромагнитах. Он похож по устройству на двигатели с постоянными магнитами на роторе, только эти магниты – электрические. На них подается постоянный ток, так что полярность магнитов ротора остается неизменной. А вот полярность магнитов статора, напротив, меняется, что и обеспечивает вращение.

Такие синхронные моторы на электромагнитах славятся своей способностью обеспечивать стабильность оборотов и ставятся, обычно, на всякие установки вроде насосов. А еще… на электрокар Renault Zoe. Зачем? Честно сказать, найти быстрый ответ на этот вопрос не получилось. Можем лишь предположить, что это связано с лучшей способностью такого двигателя служить генератором, рекуперируя энергию торможения. Мотор на Zoe не самый мощный, а мощным генератором он быть обязан.

Так что же лучше? Большинство автоконцернов выбирает моторы на постоянных магнитах: они эффективнее. Tesla в первые годы настаивала на асинхронных моторах. Но потом… сделала ставку на двух моторную полнопривродную схему, в которой асинхронный мотор обеспечивает динамику, а двигатель на постоянных магнитах гарантирует низкий расход энергии при небольших нагрузках. И только Renault… ну вы поняли.

А теперь о том, что ждет нас дальше. При буксировке даже обесточенный двигатель на постоянных магнитах тут же начинает работать как генератор, что чревато перегревом и возгоранием энергосистемы электромобиля. В синхронных моторах Renault оставшейся магнетизм в роторе также способен вызвать индукцию в катушках статора, ну и пошло поехало – генерация тока, перегрев, пожар.

И только асинхронные двигатели, когда их статоры не под напряжением, не являются генераторами: их можно буксировать.

Так вот, современная тенденция такова. Моторы на постоянных магнитах становятся все мощнее и тяговитее, оставаясь самыми эффективными. Производители постепенно переходят на них. Но придумать, как машины с ними безопасно буксировать инженерам еще предстоит. Пока они декларируют принцип «Наши электромобили не ломаются и в буксировке не нуждаются». Но звучит не больно убедительно.

Устройство генератора переменного тока

Генератор переменного тока – это устройство, которые преобразует механическую энергию, в электрическую.

Состоит он из неподвижной части, которая называется статор или якорь (см. рисунок) и вращающейся части — ротор или индуктор. В генераторе переменного тока ротор — это электромагнит, который обеспечивает магнитное поле, которое передается на статор. На внутренней поверхности статора есть осевые впадины, так называемые пазы, в которых расположена обмотка переменного тока (проводник). Статор генератора изготавливается из 0.35 мм спрессованных стальных листов, которые изолированы покрытой лаком пленкой. Эти листы устанавливаются в станине устройства. Ротор крепится внутри статора и вращается посредством двигателя. Вал – одна из деталей, для передачи крутящего момента под действием расположенных на нём опор. На общем валу с генератором, располагается так называемый возбудитель постоянного тока, который питает постоянным током обмотки ротора. Аккумулятор в генераторе переменного тока выполняет функции стартерной батареи, которая имеет свойство накапливать и хранить электроэнергию при нехватке в отсутствии работы двигателя и при нехватке мощности, которую развивает генератор.

Применение генераторов переменного тока в жизни

В течении последних лет, популярность использования электростанций и генераторов переменного тока значительно возросла. Используются они как в промышленных, так и в бытовых сферах. Промышленные генераторы являются наилучшим вариантом для использования на производстве, в больницах, школах, магазинах, офисах, бизнес центрах, а так же на строительных площадках, значительно упрощая строительство в тех зонах, где электрификация полностью отсутствует. Бытовые генераторы, более практичные, компактные и идеально подходят для использования в коттедже и загородном доме. Генераторы переменного тока широко применяются в различных областях и сферах благодаря тому, что могут решить множество важных проблем, которые связаны с нестабильной работой электричества или полным его отсутствием.

Обслуживание

Практически любая дизельная электростанция в независимости от ее мощности (500 кВт) и производителя имеет 2 главные составляющие. Это генератор переменного тока и двигатель внутреннего сгорания. Так как поддерживать данные узлы необходимо в рабочем исправном состоянии, в ходе их эксплуатации нужен определенный перечень обязательных работ по их техническому обслуживанию. К сожалению, подавляющее большинство владельцев считает, что можно ограничиться лишь своевременной заменой масла и фильтра, при этом «техническое обслуживание» можно провести и самостоятельно. Но результатом этого зачастую становится полный отказ работы устройства. В результате чего, не сложно сделать вывод, что проще и дешевле, доверить оборудование профессионалам, которые благодаря знаниям и огромному опыту, смогут увеличить срок службы ДГУ и сократить расходы при аварийных ситуациях.

Вам нужна дешевая дизельная электростанция? Посмотрите наш каталог ДГУ по специальной цене.
Возможно, будет выгоднее купить дизельную электростанцию, чем брать ее в аренду.

Про строение генератора

Любой генерирующее устройство примерно состоит из одинаковых частей, есть утрировать это – ротор, статор, шкив, корпус, и электрическая составляющая (электрические щетки, реле-регулятор напряжения). Ротор соединен с коленчатым валом двигателя ременной передачей. Если вращается коленчатый вал, то вращается и ротор, тем самым вырабатывая электрический ток.

Стоит отметить, что даже большие генераторы на гидроэлектростанциях, работают по одинаковому принципу. Однако там ротор раскручивается набегающим потоком воды. НО суть одинаковая.

Собственно напряжение в автомобиле зачастую составляет 13 – 14 Вольт, что достаточно для подзарядки автомобильного аккумулятора.

Синхронный генератор переменного тока — что это?

Синхронный генератор (альтернатор) — устройство, с помощью которого осуществляется преобразование механической или других видов энергии в переменный ток.

Первые существенные попытки создания альтернаторов были предприняты еще М. Фарадеем и И. Пикси в 1831 году, но их изобретения не использовались на практике из-за слишком малой мощности. Впервые похожее устройство публично продемонстрировали в 1886 г. Немного ранее, в 1882 г., Д. Гордон разработал довольно мощный двухфазный генератор.

В 1891 г. известный сербский физик и ученый Н. Тесла запатентовал высокочастотный альтернатор. Трехфазное устройство с аналогичным принципом действия создал русский инженер М. Доливо-Добровольский, который в 1903 г. первым в мире запустил полноценную трехфазную электростанцию. Она обеспечивала электроэнергией зерновой элеватор в Новороссийске.

Из чего состоит генератор переменного тока

• проводник тока;
• «якорь» (магнитопровод);
• магнитная система (обыкновенная, электрическая).

Электричество отправляется из якоря, благодаря угольным щеткам, которые прилегают к кольцу. Дополнительно к нему подсоединены концы проводника, что обеспечивает полноценную работу устройства.

Якорь является подвижной (вращающейся) частью генератора, а статор — статичный (неподвижный) элемент, в котором образуется магнитное поле. Если оно формируется с помощью электричества, то параллельно должен работать еще один генератор, который будет возбуждать действие. Возбудитель оснащен стандартными магнитами.

В зависимости от способа применения устройства и его разновидности якорь приводится в движение различными механизмами. На электростанциях эту функцию выполняют паровые или гидравлические (водяные) турбины. В бытовых условиях гораздо чаще используются устройства, в которых якорь приводится в движение с помощью двигателя внутреннего сгорания, вырабатывающего механическую энергию.

Разновидности синхронных генераторов переменного тока

1. Высокочастотные генераторы рассчитаны на преобразование механической энергии в электричество высокой частоты. Приспособление работает за счет изменения магнитного потока с помощью воздействия вращающегося ротора на статичный статор. Высокая частотность достигается увеличением количества полюсов и разгоном вращения статора. Применяется в качестве источника питания электричеством для радиотелеграфных станций на расстояние до 3 километров. Для меньших промежутков они не подходят, поскольку требуется увеличение частотности. Устройства подразделяются на генераторы, производящие энергию непосредственно в машине, и агрегаты, в которых ток увеличивается за счет статических умножителей.
2. Гидротурбинный генератор, как становится понятно из названия, функционирует за счет движения гидравлической турбины. Ротор в таких устройствах располагается на одном валу с турбинным колесом. Максимальная мощность подобных агрегатов достигает 100 000 кВт, что является внушительным показателем для электростанций, в особенности автономных. По размеру они ощутимо больше аналогичных аппаратов. Диаметр одного ротора может достигать пятнадцати метров. На мощность турбины значительное влияние оказывает скорость, с которой она вращается, маховый момент, характерный для ротора, и протяженность ЛЭП (линии электропередачи). Обмотка размещается непосредственно на статоре, охватывающем явный полюсный ротор, который закреплен на валу.
3. Паротурбинный генератор, работающий с помощью паровой турбины. Наибольшим распространением пользуются двухполюсные и четырехполюсные устройства. Ротор имеет форму внушительного по размеру цилиндра с пазами прямоугольного типа. В специальных пазах на внутренней стороне статора размещается обмотка переменного тока. В машинах, работающих медленно, устанавливается ротор в форме колеса или звезды. Если система замкнутая, то охладительные элементы располагаются непосредственно под генератором. В сравнении с предыдущим типом генераторов паротурбинные обладают значительно меньшими размерами.

Самое широкое распространение получили синхронные трёхфазные генераторы, мощности которых варьировались от минимальных значений до нескольких мегаватт. Работа классических альтернаторов была основана на том, что на роторе располагались кольца и щетки, которые находились в непосредственном контакте со статором. В большинстве случаев данный механизм был небезопасен, щётки при этом быстро изнашивались, а коллектор якоря требовал непрерывного поддержания в рабочем состоянии. Поэтому были разработаны бесщёточные синхронные генераторы, которые исключили все эти недостатки.

Работа синхронного бесщёточного трёхфазного генератора основана на применении системы независимого возбуждения и автоматических регуляторов напряжения (AVR). AVR помогает не допускать отклонений и скачков, поддерживая выходное напряжение генератора на постоянном уровне. Если вдруг происходит значительный скачок напряжения, AVR примет всю нагрузку на себя и в первую очередь выйдет из строя, защитив тем самым остальные системы альтернатора. AVR поставляются отдельно в качестве запасной части и заменить его не сложнее, чем поменять батарейки в любом устройстве.

Генераторы могут быть одноопорные с одним подшипником и двухопорные.

Если генератор вышел из строя, а двигатель находится в хорошем состоянии, то можно заказать генератор отдельно. Для заказа нужно обязательно знать наименование двигателя и присоединительные размеры генератора. Основная градация здесь по стране производства двигателя — отечественный он или импортный, — поскольку для отечественных двигателей (ЯМЗ, ТМЗ или ММЗ) в большинстве разработаны свои типы для присоединения и стыковки генератора с двигателем (напрямую, через муфту или при помощи стыковочных колец). Импортные же двигатели стыкуются с альтернаторами по единой системе SAE.

Области применения генераторов переменного тока

Переменный ток используется повсеместно в различных отраслях человеческой деятельности. В отличие от постоянного, переменный ток можно передавать на большие расстояния с минимальными потерями. Используя диодные выпрямители, при необходимости переменный ток можно без особых усилий преобразовать в постоянный, а наоборот сделать не получится. Многочисленные преимущества способствовали его широкому распространению. Сейчас на переменном токе работает большинство современных бытовых устройств и гаджетов.

Востребованность синхронных генераторов растет с каждым годом. Это касается как больших стационарных агрегатов, так и мобильных (переносных), которые используются преимущественно в быту или на небольших объектах.

• административные и жилые сооружения;
• школы, больницы, детские сады;
• производственные и коммерческие предприятия;
• торгово-развлекательные центры.

В удаленных, труднодоступных или не обеспеченных иными источниками энергии местах также используются генераторы переменного тока. Автономные дизельные и бензиновые электростанции тоже оснащаются синхронными генераторами. Отрасли применения альтернаторов не ограничены и продолжают расти.

Обслуживание альтернаторов необходимо производить регулярно, согласно рекомендациям производителя. Иначе велика вероятность возникновения неисправностей или выхода агрегата из строя.

ООО ПКФ «Энергодизельцентр» работает на рынке России и стран ближнего зарубежья более 17 лет. За это время нам удалось создать безупречную репутацию и выработать оптимальный подход сотрудничества. Мы специализируемся на производстве газопоршневых и дизельных электростанций на базе двигателей ЯМЗ.

• дизельные и газопоршневые электростанции;
• силовые установки;
• комплектующие и аксессуары.

• БГ, БЭМЗ (Россия);
• ГС, ОАО Электроагрегат (Россия);
• Stamford, Cummins (Англия);
• Marelli Motori (Италия);
• Leroy Somer (Франция);
• Linz (Италия) и др.

Доставка заказа осуществляется в пределах Российской Федерации. В странах СНГ также можно приобрести нашу продукцию. Специалисты компании «Энергодизельцентр» готовы помочь в выборе подходящего по характеристикам устройства. Эксперты ответят на любые интересующие вопросы, помогут оформить предварительный заказ. Чтобы получить бесплатную консультацию, необходимо набрать номер 8 800 550-76-40.