Генератори змінного струму

Генератори змінного струму 

Генератор змінного струму - електрична машина, що перетворює механічну енергію  в електричну енергію змінного струму. Більшість генераторів змінного струму використовують обертове магнітне поле.

Електричний струм виробляється в  генераторах - пристроях, що перетворюють енергію того або іншого вигляду  в електричну енергію. До генераторів  відносяться гальванічні елементи, електростатичні машини, термобатареї, сонячні батареї і т.п. Область застосування кожного з перерахованих видів генераторів електроенергії визначається їх характеристиками. Так, електростатичні машини створюють високу різницю потенціалів, але не здатні створити в ланцюзі скільки-небудь значну силу струму. Гальванічні елементи можуть дати великий струм, але тривалість їх дії невелика. Переважаючу роль у наш час грають електромеханічні індукційні генератори змінного струму. У цих генераторах механічна енергія перетворюється на електричну. Їх дія заснована на явищі електромагнітній індукції. Такі генератори мають порівняно простий пристрій і дозволяють отримувати великі струми при достатньо високій напрузі.

В даний час є багато типів  індукційних генераторів. Але всі вони складаються з одних і тих же основних частин. Це, по-перше, електромагніт або постійний магніт, що створює магнітне поле, і, по-друге, обмотка, в якій індукується змінна ЭДС (у розглянутій моделі це рамка, що обертається) . Оскільки ЭДС, що наводяться в послідовно сполучених витках, складаються, то амплітуда ЭДС індукції в рамці пропорційна числу витків в ній. Вона пропорційна також амплітуді змінного магнітного потоку Ф=BS через кожен виток. Для отримання великого магнітного потоку в генераторах застосовують спеціальну магнітну систему, що складається з двох сердечників, зроблених з електротехнічної сталі. Обмотки, що створюють магнітне поле, розміщені в пазах одного з сердечників, а обмотки, в яких індукується ЭДС, - в пазах іншого. Один з сердечників (зазвичай внутрішній) разом з своєю обмоткою обертається навколо горизонтальної або вертикальної осі. Тому він називається ротором. Нерухомий сердечник з його обмоткою називають статором. Зазор між сердечниками статора і ротора роблять як можна меншим. Цим забезпечується найбільше значення потоку магнітної індукції. У великих промислових генераторах обертається електромагніт, який є ротором, тоді як обмотки, в яких наводиться ЭДС, укладені в пазах статора і залишаються нерухомими. Річ у тому, що підводити струм до ротора або відводити його з обмотки ротора в зовнішній ланцюг доводитися за допомогою ковзаючих контактів. Для цього ротор забезпечується контактними кільцями, приєднаними до кінців його обмотки. Нерухомі пластини - щітки - притиснуті до кілець і здійснюють зв'язок обмотки ротора із зовнішнім ланцюгом. Сила струму в обмотках електромагніту, що створює магнітне поле, значно менше сили струму, що віддається генератором в зовнішній ланцюг. Струм, що тому генерується, зручніше знімати з нерухомих обмоток, а через ковзаючі контакти підводити порівняно слабкий струм до електромагніту, що обертається. Цей струм виробляється окремим генератором постійного струму (збудником), розташованим на тому ж валу. У малопотужних генераторах магнітне поле створюється постійним магнітом, що обертається. У такому разі кільця і щітки взагалі не потрібні. Поява ЭДС в нерухомих обмотках статора пояснюється виникненням в них вихрового електричного поля, породженого зміною магнітного потоку при обертанні ротора.

Сучасний генератор електричного струму - це значна споруда з мідних проводів, ізоляційних матеріалів і сталевих конструкцій. При розмірах в декілька метрів найважливіші деталі генераторів виготовляються з точністю до міліметра. Ніде в природі немає такого поєднання рухомих частин, які могли б породжувати електричну енергію так же безперервно і економічно.

 

Історія генератора

 

Електричні машини , генеруючі змінний  струм були відомі в простому вигляді  з часів відкриття магнітної  індукції електричного струму. Ранні  машини були розроблені Майклом Фарадеєм і Іполитом Пікс .

Фарадей розробив « обертовий трикутник» , дія якого була багатополярною - кожен активний провідник пропускався послідовно через область , де магнітне поле було в протилежних напрямках. Перша публічна демонстрація найбільш сильної « альтернаторної системи» мала місце в 1886 році. Великий двофазний генератор змінного струму був побудований британським електриком Джеймсом Едвардом Генрі Гордоном в 1882 році. Лорд Кельвін і Себастьян Ферранті також розробили ранній альтернатив , який виробляв змінний струм частотою між 100 і 300 герц. У 1891 році Нікола Тесла запатентував практичний « високочастотний » альтернатив ( який діяв на частоті близько 15000 герц ) . Після 1891 року, були винайдені багатофазні альтернатори .

 

Теорія генератора

Принцип дії генератора заснований на законі електромагнітної індукції - індукуванні електрорушійної сили в прямокутному контурі ( дротяної рамці) , що знаходиться в однорідному обертовому магнітному полі. Або навпаки , прямокутний контур обертається в однорідному нерухомому магнітному полі.

Припустимо , що однорідне магнітне поле , створюване постійним магнітом обертається навколо своєї осі в провідному контурі ( дротяної рамці) з рівномірною кутовою швидкістю \ omega . Дві рівні порізно вертикальні боку контуру (див. малюнок) є активними , так як їх перетинають магнітні лінії магнітного поля. Дві рівні порізно горизонтальні сторони контуру - не активні , так як магнітні лінії магнітного поля їх не перетинають , магнітні лінії ковзають уздовж горизонтальних сторін , електрорушійна сила в них не утворюється .

У кожній з активних сторін контуру  индуктируется електрорушійна сила , величина якої визначається за формулою:

e_1 = Blv \ sin \ omega t і e_2 = Blv \ sin ( \ omega t + \ pi ) = - Blv \ sin \ omega t ,

де

e_1 і e_2 - миттєві значення електрорушійних  сил , индуктироваться в активних сторонах контуру , у вольтах ;

B - магнітна індукція магнітного  поля в вольт- секундах на квадратний метр ( Тл , Тесла ) ;

l - довжина кожної з активних  сторін контуру в метрах ;

v - лінійна швидкість , з якою магнітні лінії магнітного поля рухаються по колу радіусом \ frac {\ alpha } {2 } в метрах в секунду ;

t - час у секундах ;

\ omega t і \ omega t + \ pi - кути , під якими магнітні лінії перетинають активні боку контуру .

Так як електрорушійні сили , индуктироваться в активних сторонах контуру , діють згідно один з одним , то результуюча електрорушійна сила , індукована в контурі ,

буде дорівнює e = 2Blv \ sin \ omega t , тобто индуктированная електрорушійна сила в контурі змінюється за синусоїдальним законом .

Якщо в контурі обертається  однорідне магнітне поле з рівномірною кутовою швидкістю , то в ньому индуктируется синусоїдальна електрорушійна сила .

Можна перетворити формулу e = 2Blv \ sin \ omega t , висловивши її через максимальний магнітний потік \ Phi_m , пронизливий  контур.

Відносна лінійна швидкість v активних сторін дорівнює добутку радіуса  обертання \ frac {\ alpha } {2 } на кутову швидкість \ omega , тобто v = \ frac {\ alpha } {2 } \ omega .

Тоді отримаємо e = 2Bl \ frac {\ alpha } {2 } \ omega \ sin \ omega t ,

де

\ omega \ Phi_m - амплітуда синусоїдальної  електрорушійної сили ;

\ omega t - фаза синусоїдальної електрорушійної  сили ;

\ omega - кутова швидкість синусоїдальної  електрорушійної сили , в даному випадку рівна кутової швидкості обертання магніту в контурі .

З урахуванням того , що контур складається з багатьох витків дроту , електрорушійна сила пропорційна кількості витків w і формула буде виглядати так: e = w2Bl \ frac {\ alpha } {2 } \ omega \ sin \ omega t .

Якщо ввести у формулу максимальний магнітний потік , тоді e = w \ Phi_m \ sin \ omega t.

 

 

Пристрій генератора змінного струму

 

По конструкції можна виділити

• генератори з нерухомими магнітними полюсами і обертовим якорем ;
• генератори з обертовими магнітними полюсами і нерухомим якорем. Набули найбільшого поширення , оскільки завдяки непорушності якірної обмотки відпадає необхідність знімати з ротора великий струм високої напруги з використанням ковзних контактів ( щіток) і контактних кілець.

Рухома частина генератора називається  ротор , а нерухома - статор .

Статор збирається з окремих  залізних листів , ізольованих один від одного. На внутрішній поверхні статора є пази , куди вкладаються  дроти якірної обмотки генератора.

Ротор виготовляється звичайно з суцільного заліза , полюсні наконечники магнітних  полюсів ротора збираються з листового  заліза.

На сердечники полюсів посаджені  котушки збудження , що живляться  постійним струмом. Постійний струм  підводить за допомогою щіток  до контактних кілець , розташованим на валу двигуна.

За способом збудження генератори змінного струму діляться на

• генератори , обмотки збудження яких живляться постійним струмом від стороннього джерела електричної енергії , наприклад від акумуляторної батареї ( генератори з незалежним порушенням ) .
• генератори , обмотки збудження яких живляться від стороннього генератора постійного струму малої потужності ( збудника) , що сидить на одному валу з обслуговується їм генератором.
• генератори , обмотки збудження яких живляться випрямленою струмом самих же генераторів ( генератори з самозбудженням ) . См також бесщеточний синхронний генератор.
• генератори з порушенням від постійних магнітів.

Конструктивно можна виділити

• генератори з явно вираженими полюсами ;
• генератори з неявно вираженими полюсами.

За кількістю  фаз можна виділити

• Однофазні генератори. Див також конденсаторний двигун , однофазний двигун.
• Двофазні генератори. Див також двофазна електрична мережа , двофазний двигун.
• Трифазні генератори. Див також трифазна система електропостачання , трифазний двигун.

По з'єднанню  фазних обмоток трифазного генератора

• З'єднання «зіркою»
• З'єднання « трикутником ».

Як правило , найбільш поширене з'єднання  « зіркою» з нейтральним проводом ( чотирипровідна схема) .

Так як на практиці навантаження на різні  фази не є симетричною ( підключається  різна електрична потужність , або  наприклад , активне навантаження на одній фазі , а на іншій реактивна  або емкостная , то при з'єднанні  « трикутником » або « зіркою»  без нейтрального проводу можна  отримати таке неприємне явище як « перекіс фаз » , наприклад , лампи  розжарювання , підключені до однієї з  фаз , слабо світяться, а на інші фази подається надмірно велика електрична напруга і включені прилади благополучно « згорають ».

 

 

 

 

 

 

 

 

Частота струму, що виробляється генератором

 

Дані генератори є синхронними , тобто кутова швидкість ( число  оборотів) обертового магнітного поля пропорційна кутовий швидкості (числу  оборотів) ротора генератора.

Якщо ротор генератора двополюсний , то за один його повний оборот индуктированная  електрорушійна сила зробить повний цикл своїх змін .

Отже , частота електрорушійної  сили синхронного генератора буде :

 f = \ frac { n } { 60 } ,

де

f - частота в герцах ;

n - число обертів ротора на  хвилину.

Якщо генератор має число  пар полюсів p , то відповідно до цього  частота електрорушійної сили такого генератора буде

в p разів більше частоти електрорушійної  сили двополюсного генератора :

f = p \ frac { n } { 60 } .

Частота змінного струму в електричних  мережах повинна суворо дотримуватися , в Росії та інших країнах вона становить 50 періодів в секунду ( герц ) . У ряді країн, наприклад у США , Канаді , Японії , в електричну мережу подається змінний струм з  частотою 60 герц. Змінний струм з  частотою 400 герц застосовується в бортовій мережі літаків.

У таблиці показано залежність частоти  генерованого змінного струму від кількості  магнітних полюсів і числа  обертів генератора

Даний фактор слід враховувати при  конструюванні генераторів.

 

 

 

 

 

 

 

 

Число полюсов	Число оборотов ротора для частоты 50 герц,  в 1 минуту	Число оборотов ротора для частоты 60 герц,  в 1 минуту	Число оборотов ротора для частоты 400 герц,  в 1 минуту
2	3,000	3,600	24,000
4	1,500	1,800	12,000
6	1,000	1,200	8,000
8	750	900	6,000
10	600	720	4,800
12	500	600	4,000
14	428,6	514,3	3,429
16	375	450	3,000
18	333,3	400	2,667
20	300	360	2,400
40	150	180	1,200

 

Наприклад, парова турбіна найбільш оптимально працює при 3000 оборотів в  хвилину, число полюсів генератора дорівнює двом.

Наприклад, для дизельного двигуна, застосовуваного на дизельних електростанціях, найбільш оптимальний режим роботи 750 обертів на хвилину, тоді генератор  повинен мати 8 полюсів.

Наприклад, масивні і тихохідні  гідравлічні турбіни на великих  гідроелектростанціях обертаються  зі швидкістю 150 оборотів в хвилину, тоді генератор повинен мати 40 полюсів.

 

Автомлбільний генератор  змінного струму

 

На сучасних автомобілях установлюються трифазні генератори змінного струму з випрямлячами на кремнієвих діодах.

 

Будова

 

Статор

Статор виготовляють у вигляді кільця з окремих сталевих пластин, ізольованих одна від одної лаком. На його внутрішній поверхні є обмотка, яку розподілено на три фази, розташовані під кутом 120° одна відносно одної. Кожна фаза утворюється з шести котушок. Котушки однієї фази з'єднані між собою послідовно, а групи котушок — зіркою, тобто одні кінці трьох груп з'єднані між собою, а інші — виводяться в коло.

Ротор

Ротор складається з вала, втулки, на якій встановлена обмотка  збудження, і шести пар полюсів, що створюють магнітне поле. На валу ротора встановлено два контактних кільця, через які в обмотку збудження подається електричний струм. По контактних кільцях ковзають мідно-графітові щітки. Ротор обертається в шарикових підшипниках, установлених у кришках  статора.Задля запобігання перегріву у генератор встановлюють вентилятор. Генератор кріпиться до двигуна за допомогою нижнього кронштейна та верхньої натяжної планки з лівого або з правого боку.