В этой статье мы внимательно проанализируем альтернаторы и генераторы, при этом акцентируя внимание на их различиях и сходствах. Хотя многие уверены, что оба устройства предназначены для генерации электроэнергии, понимание их отличий остаётся поверхностным.
Принцип работы и устройство синхронного генератора переменного тока
В практике эксплуатации электрооборудования различают два основных типа генераторов: генераторы переменного тока и генераторы постоянного тока. Несмотря на различия, оба типа выполняют одну и ту же функцию: они преобразуют механическую мощность в электрическую энергию. Важно отметить, что генератор переменного тока производит переменные величины, в то время как генератор постоянного тока предназначен для создания постоянных величин. Оба этих устройства строятся по единому фундаментальному принципу, заключающемуся в электромагнитной индукции.
Синхронные генераторы состоят из двух основных элементов — вращающегося ротора и неподвижного статора. На валу ротора могут располагаться как постоянные магниты, так и обмотки возбуждения. Поскольку у магнитов есть полюса, их в большинстве случаев изготавливают с зубчатой формой, что позволяет создать необходимую магнитную поля для генерации электричества.
Бесщёточные генераторы.
Обмотки статора располагаются так, чтобы их сердечники совпадали с выступами полюсов ротора. Как правило, число зубцов магнита не превышает 6. В этой конфигурации ток извлекается непосредственно из обмоток статора, делая его в этом процессе аналогом якоря. Это означает, что статор становится активным элементом, который придает выходному току необходимые параметры.
Следует отметить, что возможна и обратная компоновка: постоянные магниты могут находиться на статоре, а обмотки, в которых будет индуцироваться электрическая энергия, — на роторе. Однако такая схема требует установки колец и щёток для снятия напряжения с обмоток якоря, что не всегда целесообразно с точки зрения компоновки и затрат на обслуживание.
Схематическое изображение бесщеточного генератора без обмоток возбуждения представлено на рис. 1.
Рис. 1. Модель генератора с магнитным ротором
Пояснение:
- Схема устройства генератора;
- Схема расположения магнитных полюсов на якоре. Здесь буквами NS обозначен коаксиальный магнит с полюсами, а литерой R – стальной магнитопровод ротора в виде когтеобразных наконечников;
- Модель генератора в разрезе. Выводы фазных обмоток статора соединены звездой.
Синхронные машины с индукторами.
Важно отметить, что постоянные магниты как ротор используются в альтернаторах малой мощности. В то время как в высокомощных электрических машинах применяются обмотки индуктора с независимым возбуждением. Независимый источник питания предоставляет маломощный генератор постоянного тока, который располагается на валу синхронного двигателя и обеспечивает необходимое напряжение для работы индуктора.
Существуют и конструкции синхронных генераторов средней и малой мощности с самовозбуждающимися обмотками. В этих системах возбуждение индуктора обеспечивается выпрямленным током фазных обмоток, который передается через щётки на кольца, установленные на валу статора. Строение такого альтернатора демонстрируется на рис. 2.
Рис. 2. Строение синхронного генератора средней мощности
Необходимо обратить внимание на наличие щёток, через которые подается питание от независимого источника.
Разделение по количеству фаз:
- однофазные;
- двухфазные;
- трехфазные.
По конструкции ротора можно выделить генераторы с явновыраженными полюсами и с неявновыраженными полюсами. Неявнополюсный ротор лишен выступов, а катушки провода якоря расположены в пазах статора.
В завершение
Рассмотренные типы альтернаторов, за исключением инверторных моделей, применяются не только в домашних (маломощных) электростанциях, но и в крупных генераторных системах, вырабатывающих мегаватты электрической энергии, что подчеркивает их универсальность и важность в энергетической сфере.
Следующий материал будет сосредоточен на двигателях внутреннего сгорания, которые служат силовыми установками для электрогенераторов. Кроме того, стоит отметить, что привод для альтернатора может осуществляться не только от моторов, работающих на дизельном топливе, бензине или газе, но и от установок, которые используют энергию ветра или воды для вращения ротора. Эти аспекты будут раскрыты в одной из следующих статей.
Альтернаторы: конструкция, назначение, виды
Первыми приборами для генерации электрического тока были альтернаторы. Спустя некоторое время всю конструкцию, состоящую из двигателя и альтернатора, помещенную в корпус или зафиксированную на раме, стали называть генератором.
Альтернатор играет жизненно важную роль в генераторных установках, так как он отвечает за преобразование механической энергии, производимой вращением коленвала, в электрическую. Основными элементами данного устройства являются ротор (движущаяся часть) и статор (неподвижная часть).
В зависимости от способа передачи магнитного поля, все генераторы делятся на следующие категории:
- синхронные или щеточные – с обмотками на роторе, обеспечивающими передачу магнитного поля на статор с использованием скользящих контактов — щёток;
- асинхронные – такие сложные устройства, которые не имеют обмоток и передают остаточную намагниченность бесконтактным методом (другое название — бесщеточные).
Синхронные альтернаторы сложнее в конструкции, так как они включают обмотки и щеточные узлы, что делает их дорогими, но и долговечными в эксплуатации. Эти устройства составляют более 90% от общего числа реализуемых источников бесперебойного питания (ИБП). Тем не менее, это не говорит о том, что асинхронные альтернаторы являются менее эффективными. Существует ряд технических нюансов, балансирующих преимущества и недостатки обоих типов оборудования. Все зависит от условий эксплуатации и предполагаемых задач.
Плюсы и минусы синхронных альтернаторов
Качественные синхронные альтернаторы должны быть оборудованы медной обмоткой, а не алюминиевой, напомню, что некоторые производители идут на это для снижения затрат на производство. Качественные обмотки и щеточные механизмы обеспечивают стабильность выходного тока (с отклонением не более 5% от номинала) и позволяют без особых сложностей переносить кратковременные перегрузки и незначительные колебания напряжения.
Чистый электрический ток крайне важен для чувствительных пользователей, таких как ноутбуки, компьютеры, принтеры, мобильные телефоны, а также для специализированного оборудования в лабораториях и медицинском обслуживании. Даже для такой стандартной бытовой электроники, как холодильники, телевизоры и стиральные машины, предпочтительнее использовать электричество, вырабатываемое синхронными генераторами. Также только к щеточным ИБП можно подключать автоматические системы ввода резерва (АВР).
Итак, неоспоримые преимущества щеточного узла и медной обмотки синхронных альтернаторов включают:
- стабильность выходного напряжения;
- высокое качество электрического тока;
- надежность работы.
Тем не менее, постоянное движение щеток может приводить к перегреву генератора. Хотя система охлаждения с использованием вентилятора, применяемая в синхронных альтернаторах, достаточно надежна, она имеет один существенный недостаток – потерю герметичности, что, в свою очередь, может привести к попаданию пыли и влаги внутрь устройства, что часто становится причиной его неисправностей.
Несмотря на это, современные производители находят новые подходы к защите оборудования от негативных внешних факторов.
При выборе генератора важно узнать, к какому классу защиты он относится и насколько хорошо он защищен от неблагоприятных условий окружающей среды.
Минусы щеточных альтернаторов:
- высокая вероятность попадания пыли и влаги;
- потребность в периодическом техобслуживании и замене щеток;
- высокая стоимость;
- создание электромагнитных помех, которые могут влиять на работу радиооборудования.
Что такое генератор?
Как и альтернатор, генератор способен преобразовывать механическую энергию в электрическую. Однако стоит отметить, что генераторы могут производить как переменный, так и постоянный ток, что является их ключевым отличием от альтернаторов, которые в основном ориентированы на постоянный ток.
В генераторах ротор вращается, и его движение генерирует электрическую энергию за счет созданного магнитного поля, необходимого для вращения якоря. Внутри генератора имеется прямоугольная вращающаяся катушка, которая вращается вокруг своей оси в пределах магнитного поля, создаваемого постоянными магнитами или электромагнитами. Контактные кольца соединяют концы катушки и выводят индуцированный ток к внешнему нагрузочному сопротивлению.
DC и AC: что это?
DC и AC: что это?
Генераторы могут обеспечивать как переменный, так и постоянный ток, в то время как генераторы переменного тока могут создавать только переменный ток. В этом разделе мы обсудим, что такое переменный ток и постоянный ток.
а) Переменный ток (AC)
Известно, что поток электронов в проводнике называется током. В контексте переменного тока электроны течут вперед и назад, что описывает саму природу переменного тока. Большинство бытовых приборов функционируют именно на этом виде тока. Тем не менее, напряжение и частота такого электричества должны соответствовать определённым стандартам.
Эта периодическая изменчивость направления тока проявляется в виде синусоидальной волны, известной как волна переменного тока. Причиной такого поведения служат магнитные полюса, находящиеся внутри генератора и альтернатора. Когда одна сторона обмотки находится под одним полюсом, ток течет в одном направлении, но в тот момент, когда та же сторона попадает под другой полюс, направление тока изменяется на противоположное, что продолжается по мере вращения обмотки и генерации переменного тока.
б) Постоянный ток (DC)
DC расшифровывается как постоянный ток. Это тип тока, в котором электроны движутся только в одном направлении, и величина тока остаётся постоянной. Отсутствие колебаний в направлении тока позволяет говорить о том, что частота постоянного тока равна нулю. Постоянный ток в основном используется для питания электронных устройств благодаря стабильному потоку электронов.
Отметим, что выходящий ток как из генератора, так и из альтернатора всегда будет переменным. Однако из переменного тока можно получить постоянный с помощью выпрямителей или щеток. Процесс преобразования переменного тока в постоянный называется выпрямлением.
Генераторы (альтернаторы) переменного тока
Конструкция генератора переменного тока включает магнитные полюса, расположенные на вращающейся части устройства, называемой ротором, как показано на изображении ниже. Ротор вращается внутри статора, в то время как магнитные полюса проецируются на корпус ротора.
Арматурные проводники устанавливаются на статоре. В проводниках якоря индуцируется переменное трехфазное напряжение, представленное секциями (aa’, bb’, cc’), что обеспечивает в целом генерацию трехфазной электрической мощности.
Современные электростанции в значительной степени используют подобные конструкции генераторов переменного тока, так как они являются важным инструментом для народного хозяйства, а также имеют огромное значение для энергетической сферы.
Генератор переменного тока часто называют синхронным генератором. Это наименование связано с тем, что магнитные полюса генератора переменного тока вращаются на синхронной скорости, которая определяется формулой:
Ns = 120 f / P
где: f — частота переменного тока, P — количество магнитных полюсов.
В большинстве практических проектов генераторов переменного тока обмотка якоря статична, в то время как магнитное поле вращается. Это отличие имеет значение в сравнении с генераторами постоянного тока, в которых размещение элементов конструкции противоположно.
Стандартная модификация генератора переменного тока спроектирована для обеспечения очень высоких мощностей, порядка нескольких сотен мегаватт. Это также является важным фактором, отличающим их от генераторов постоянного тока.
Для достижения столь высокой мощности температура и размеры необходимым образом увеличиваются. Однако для повышения эффективности полезно заменять более мощные обмотки якоря менее мощными. Это уменьшение мощности обмоток приводит к снижению веса и уменьшает центробежную силу, которая требуется для вращения ротора, что позволяет достигать более высоких скоростей.
Генераторы переменного тока обладают двумя основными типами роторов:
- Ротор с выступающими полюсами;
- Гладкий цилиндрический ротор.
Ротор выступающих полюсов
Первый тип обычно используется в машинах низких скоростей, имеющих сравнительно большие диаметры и небольшие осевые длины. В этом случае полюса выполнены из толстых слоистых стальных секций, склеенных вместе и прикрепленных к ротору с использованием механических соединений.
Как упоминалось ранее, генератор переменного тока в основном отвечает за создание очень высокой электрической мощности. Для достижения таких высоких значений механическое ввод вращающего момента также должен быть очень высоким. Это высокое значение крутящего момента вызывает генерацию на синхронной машине.
Однако, генерация должна быть ограничена определенными пределами, чтобы избежать аварийных ситуаций. Поэтому предусмотрено торможение с помощью демпферных обмоток, которые размещены на магнитных полюсах, как показано на рисунке.
Демпферные обмотки генератора переменного тока представляют собой медные штырьки, закороченные с обеих сторон и расположенные в специальных отверстиях на оси полюса.
Преимущества альтернаторов
Альтернаторы характеризуются высокой эффективностью и превосходят генераторы по коэффициенту полезного действия. Между преимуществ альтернаторов можно отметить также их меньшую предрасположенность к износу, поскольку в их конструкции используется меньше механических контактов. Это, в свою очередь, приводит к меньшим затратам на техническое обслуживание и повышенной надежности.
Кроме того, альтернаторы, как правило, проще по конструкции, что сказывается на их эксплуатационных характеристиках и необходимости в обслуживании.
Виды альтернаторов
Существует несколько видов альтернаторов, среди которых:
- синхронные;
- асинхронные;
- инверторные;
- дуплексные.
Синхронные и асинхронные альтернаторы имеют много общего в конструкции и принципе работы. Однако одно из самых важных различий заключается в их рабочей схеме: в асинхронном альтернаторе ротор немного опережает вращение магнитного поля, тогда как в синхронном ротор совместим с вращением магнитного поля.
Однако принцип работы инверторных альтернаторов существенно отличается от синхронных и асинхронных. Это связано с двойным процессом преобразования напряжения — сначала с переменного в постоянный, а затем с постоянного обратно в переменный. В результате напряжение, выходящее из инверторного альтернатора, становится более стабильным и практически не подвержено колебаниям.
