Устройство и принцип работы генераторов переменного и постоянного тока

Для повышения магнитных потоков в якоре генератора устанавливают цельнометаллический сердечник, который служит для лучшей передачи и концентрации магнитного поля. При этом между сердечником и магнитом обязательно оставляют минимальный зазор, позволяющий ротору свободно вращаться без затруднений.

Принцип работы генератора постоянного тока

Генератор постоянного тока — это устройство, предназначенное для преобразования механической энергии в электрическую, вырабатывая постоянный ток. Данное оборудование функционирует на основе движения проводника, которое происходит в магнитном поле. Генераторы постоянного тока подразделяются на две основные группы в зависимости от их источника питания: независимые и самовозбуждающиеся. В независимых генераторах для получения постоянного тока требуется внешний источник питания, таким как аккумуляторная батарея или аналогичное автономное устройство. В самовозбуждающихся генераторах выработка энергии происходит за счет энергии, поступающей с якоря самого устройства.

Независимо от метода питания, генераторы предназначены для обеспечения объектов электроэнергией как на постоянной, так и на временной (резервной) основе. В качестве примера, компания Бриз Моторс предлагает дизель-генератор мощностью 500 кВт, который способен питать множество устройств одновременно. Такой генератор выделяется своей надежностью и стабильностью в работе, являясь не только основным источником питания, но и резервным устройством на различных предприятиях.

Принцип действия

Основным принципом работы генератора постоянного тока является закон электромагнитной индукции. Внутри генератора есть замкнутый контур, который размещается между полюсами магнита. Вращение этого контура приводит его к пересечению магнитного потока. В момент пересечения возникает электродвижущая сила (ЭДС), причина которой усиливается, когда проводник подходит вблизи полюсов магнита. Если в этот момент к коллектору устройства подключена электрическая нагрузка, то в образованной электрической цепи начинает течь ток.

В промышленности и в повседневной жизни используются два основных типа генераторов постоянного тока:

• самовозбуждающиеся;
• независимые возбуждающиеся.

Каждый из этих генераторов классифицируется по способу соединения их якорных обмоток:

1. Параллельное соединение. В этом случае бесперебойная работа устройства обеспечивается за счет стабильной подачи напряжения на его зажимах, и это происходит независимо от изменений в нагрузке. Данный вопрос решается подключением реостата, который обеспечивает необходимую регулировку напряжения. Основной задачей данного элемента является замыкание обмотки на себя. Если такая возможность будет исключена, в случае разрыва цепи может произойти резкий рост электродвижущей силы самоиндукции, что угрожает повреждением изоляции. Подключенный к генератору прибор способен рассеивать избыточную энергию, превращая ее в тепло, тем самым предотвращая возможные неисправности или разрушение устройства.
2. Последовательное соединение. В данном способе выработанное обмоткой напряжение будет равно току самого генератора. Однако, если устройство работает в режиме холостого хода, возбуждение отсутствует, и, следовательно, невозможно снять характеристики. Для запуска генератора необходимо подключить его к внешнему источнику питания. Это зависимое соединение считается недостатком данного типа генераторов, и поэтому его использование ограничено средой, где имеется стабильная нагрузка.
3. Смешанное соединение. Это более сложная конструкция, которая сочетает в себе лучшие характеристики первых двух типов. Главная особенность данного агрегата заключается в наличии двух катушек обмотки. Одна из них подключается параллельно обмотке якоря, а вторая, считающаяся вспомогательной, подключается последовательно. Параллельная цепь включает в себя реостат для регулировки колебаний тока, а контроль холостого хода осуществляется через параллельную обмотку, что позволяет стабилизировать напряжение на зажимах устройства.

Класс генератора постоянного тока определяется условиями его эксплуатации и количеством подключаемых к нему приборов. Во избежание технических ошибок на этапе планирования крайне важно доверить расчет всех показателей специалистам.

В чем разница между постоянным и переменным током?

Когда в проводниках возникает направленное электрическое поле, в них появляется ток. Если электродвижущая сила (ЭДС) не меняет своего направления со временем, то электрические заряды, а точнее их волновая энергия, движутся от положительного электрода к отрицательному. Такой тип тока называется постоянным (DC — Direct Current).

В отличие от этого, генераторы, работающие на электростанциях, производят переменный электрический ток (AC — Alternating Current), при этом ЭДС в них постоянно меняет и величину, и направление, заставляя заряды смещаться то в одну сторону, то в противоположную. Такой ток также часто называют синусоидальным или периодическим, поскольку его графическое представление принимает синусоидальную форму.

Генераторы постоянного тока

Хотя в большинстве промышленных установок используется переменный ток, существуют множество устройств, которые работают от постоянного тока. Такой ток может быть получен либо путем выпрямления переменного сигнала, либо через индукционный генератор, конструкция которого включает коллектор — устройство для преобразования переменного напряжения в постоянное. При этом величина напряжения определяется скоростью вращения ротора агрегата.

Еще один способ выпрямления тока подразумевает использование диодного моста, который обеспечивает надежное преобразование переменного тока.

Устройство и принцип действия

Устройство и принцип работы генератора постоянного тока можно рассмотреть в следующем разделе.

Базовая компоновка электрогенератора включает в себя следующие элементы:

• пара разнополюсных магнитов (как постоянных, так и электромагнитов);
• вращающаяся медная рамка;
• цилиндрический коллектор, обеспечивающий связь между выводами и обмотками;
• токосъемные угольные щетки, которые отводят ток от коллектора.

Часть генератора, которая вращается, называется ротором, в то время как неподвижный компонент именуется статором. Статор и ротор играют ключевую роль в процессе генерации электричества.

В отличие от моделей с переменным током, у электрогенератора обмотки соединяются с полукольцами, в то время как в переменных моделях используются кольца. Полукольца разделены изолирующим материалом и устанавливаются на общий вращающийся цилиндр, что важно для предотвращения коротких замыканий. Щетки, предназначенные для переноса электричества во внешний контур, прижимаются к полукольцам с помощью пружин.

При каждом полуобороте рамки, которые припаяны к её концам, полукольца последовательно переходят от одной щетки к другой. В этом процессе направление тока меняется каждый раз дважды за один полный оборот. Когда коллектор выполняет переключения в моменты смены направления тока в рамке, одна из щеток становится положительным полюсом, в то время как другая — отрицательным. Это создает поток электричества с однонаправленным движением зарядов.

Таким образом, принцип работы генератора постоянного тока заключается в индукции и ее последующем выпрямлении с помощью коллектора. Ток, вырабатываемый генератором, будет направленным (постоянным), однако его величина изменяется от нуля до максимального значения при каждом цикле — частота его изменений будет вдвое меньше частоты пульсаций. Данный электрический ток называют пульсирующим током.

Для сглаживания перепадов напряжения от нуля до максимума и для того, чтобы получить постоянное (не меняющее направление) напряжение, якорь агрегата состоит из множества катушек, сдвинутых относительно друг друга. Ротор собирается из такого количества пластин, сколько соответствует числу катушек, и располагается в виде цилиндра вокруг вращающегося вала с коллектором. Данный ротор имеет барабанную конструкцию, что также способствует повышению стабильности работы.

На следующем изображении представлен электрический генератор с четырёхполюсным якорем, удобным для использования в различных электрических системах.

Классификация

Генераторы постоянного тока могут быть классифицированы по нескольким критериям, что позволяет выбрать наиболее подходящее устройство для конкретных условий эксплуатации.

По типу возбуждения выделяют генераторы с само- и независимым возбуждением обмоток. В первом случае для создания магнитного поля используется самогенерация, в процессе которой обмотка питается от собственных выводов. Во втором случае возбуждение осуществляется через внешний источник, что позволяет более точно контролировать параметры работы генератора.

Электромагниты, соответствующие устройствам с постоянной обмоткой, создают магнитное поле на основе постоянного тока. Генераторы с независимым возбуждением, которые получают свою питающую энергию из внешнего источника, выполняют свою задачу гораздо эффективнее в некоторых сценариях, что подробно будет рассмотрено ниже.

Устройство и конструкция автомобильного генератора

Автомобильные генераторы, работающие на трехфазном переменном токе, могут быть разделены на два основных типа: стандартный и компактный. Для обоих типов конструкция устройства остается базовой и включает следующие элементы:

• Шкив с валом и подшипниками для вращения;
• Ротор, который включает контактные кольца;
• Обмотки статора, где происходит генерация тока;
• Корпус генератора, обеспечивающий целостность устройства;
• Регулятор напряжения, ответственный за настройку выходного напряжения;
• Выпрямительное устройство для преобразования переменного тока в постоянный;
• Щеточный узел, обеспечивающий вывод тока из генератора.

Структуры этих генераторов различаются в основном по компоновке, в то время как электрические параметры могут оставаться идентичными. Как правило, стандартные агрегаты имеют больший размер по сравнению с компактными устройствами, что обеспечивается применением современных материалов и технологий для редукции весом и увеличения прочности.

Теперь рассмотрим каждый элемент электрогенератора и его функциональные обязанности:

• Шкив передает вращение от коленвала на ротор через ременную передачу, обеспечивая необходимую скорость вращения;
• Корпус генератора имеет две крышки — переднюю и заднюю, и служит для соединения всех компонентов в единую конструкцию. На наружной поверхности корпуса расположены кронштейны для крепления устройства на двигателе автомобиля;
• Ротор представляет собой вал, на котором установлены обмотки возбуждения и контактные кольца, изготовленные из меди для обеспечения хорошей проводимости;
• Статор формируется из пакетированных стальных пластин, в которых вырезаны фигурные пазы для укладки трехфазных обмоток из медного провода, где осуществляется генерация тока;
• Регулятор напряжения может выполняться в виде отдельного блока или в комбинации с щеточным узлом. Главной задачей регулятора является управление работой генератора путём изменения тока в обмотке возбуждения, тем самым стабилизируя выходное напряжение;
• Выпрямительное устройство, использующее схему Ларионова, состоит из двух частей: теплоотводов из алюминия, в каждую из которых встроены три силовых диода. Эти диоды обеспечивают преобразование переменного напряжения в постоянное, что необходимо для питания электрических систем автомобиля;
• Передача напряжения на обмотку возбуждения осуществляется через специальный узел и цилиндрические контактные кольца. Щетки, изготовленные из специальных сортов графита, устанавливаются в держателе с направляющими из диэлектрического материала, обеспечивая прочный контакт; пружины обеспечивают необходимое давление для надежного контакта, а напряжение передается по проводу, встроенному в основание обращения.

Рассматривая конструкцию современного генератора, выделяют его механическую и электрическую части. Механическая часть, состоящая из шкива и двух подшипников ротора, обеспечивает вращение в корпусе. Электрическая часть, как уже упоминалось, генерирует электрическую энергию для бортовой сети. Применение описываемой схемы автомобильного генератора впервые было реализовано американской компанией Невиль в 1946 году, и первоначально такими устройствами оснащались военные машины и автобусы.

Основные номинальные параметры генератора определяются с учетом технических требований к конструкции конкретной модели транспортного средства и включают:

• Напряжение, согласно требованиям ГОСТ 52230–2004, которое должно находиться в диапазоне от 7,14 до 28 В;
• Ток отдачи, который определяется особым образом в зависимости от конструкции устройства;
• Частота возбуждения и самовозбуждения.

Токоскоростная характеристика обозначает зависимость между номинальным током генератора и частотой его вращения. Напряжение в бортовой сети легковых и коммерческих автомобилей варьируется от 12 В, в то время как для специализированных и мощных машин оно обычно составляет 24 В. Максимальный ток отдачи измеряется при частоте вращения ротора равной 6000 об/мин.

Еще одним важным параметром, который важен при выборе генератора, является коэффициент полезного действия (КПД). Для современных моделей этот показатель колеблется в пределах 50-60%, что обеспечивает достаточную эффективность работы.

Расчет

Производители указывают актуальные характеристики генератора постоянного тока в его паспорте. Основные из них включают:

• холостой ход;
• последовательное возбуждение;
• параллельное возбуждение.

Следует отметить, что часто фактические показатели этих характеристик могут отличаться от стандартных, и информация о допустимых нормах погрешности обычно указывается в инструкции в процентах.

Что касается самодельных генераторов, примерные характеристики можно определить, опираясь на данные из справочников, а их точность следует проверять с помощью измерений текущих показателей.

Источники:

1. Л. Д. Рожкова, Л. К. Карнеева, Т. В. Чиркова. «Электрооборудование электрических станций и подстанций». Москва: Издательский центр «Академия», 2013.
2. Г.Ф. Быстрицкий. «Основы энергетики». Научно-издательский центр ИНФРА-М, 2005 г.
3. Ю.Н. Балаков, М.Ш. Мисриханов, А.В. Шунтов. «Проектирование схем электроустановок». Москва: Издательский дом МЭИ, 2009 г.

Классификация генераторов постоянного тока

Генераторы постоянного тока (ГПТ) могут быть классифицированы по различным параметрам, включая тип возбуждения, тип соединений обмоток и способ охлаждения.

По типу возбуждения генераторы разделяются на самовозбуждающиеся и внешне возбуждаемые. Генераторы с самовозбуждением имеют возбуждающую обмотку, которая получает питание от выводов своей обмотки и создает обуславливающее наводящее магнитное поле, в то время как внешне возбуждаемые имеют отдельный источник для поддержания процесса возбуждения.

По типу соединения обмоток генераторы могут быть с косвенным и прямым соединением. При косвенном соединении внешняя цепь и наведенная разность потенциалов между обмотками соединяются с использованием дополнительных проводов, что позволяет изменять напряжение на нагрузке. При прямом соединении этот процесс осуществляется напрямую без дополнительных проводников.

Также существует классификация по способу охлаждения. Генераторы постоянного тока могут быть воздушными, которые охлаждаются за счет конвекции (воздух проходит через специальные ребра охлаждения), или жидкостными, использующими охлаждающую жидкость, циркулирующую по каналам внутри генератора и отводящую тепло.

По типу возбуждения

Генераторы постоянного тока можно классифицировать и по типу возбуждения. В этом случае выделяются две основные категории: возбуждаемые постоянным током (ВПТ) и возбуждаемые постоянным магнитом (ВПМ).

Генераторы, возбуждаемые постоянным током, используют электрическую цепь для создания магнитного поля, необходимого для генерации электрического тока. В этом варианте применяются постоянные электромагниты, обмотка которых питается постоянным током. Протекающий через обмотку ток создает магнитное поле, которое затем используется для индукции тока во внешней цепи.

В свою очередь, возбуждаемые постоянным магнитом генераторы полагаются на использование постоянно намагниченных магнитов, которые создают постоянное магнитное поле. В этих устройствах отсутствуют электрические обмотки, и вместо них используются магниты, которые обеспечивают намагниченное поле. При вращении ротора создаётся переменное магнитное поле, которое индуцирует ток в цепи.

Существуют также гибридные генераторы постоянного тока, которые комбинируют оба типа возбуждения — как постоянным током, так и магнитом. Такие устройства обеспечивают высокую эффективность и стабильность, что расширяет диапазон их применения.

По виду возбуждающего поля

Генераторы постоянного тока могут быть разделены на несколько типов, в зависимости от метода создания возбуждающего поля, ответственного за электромагнитную индукцию. Например, выделяются генераторы с возбуждением постоянным магнитом, где магнитное поле создается с помощью постоянного магнита на роторе. Эти устройства часто используются в маломощных применениях, таких как портативные зарядные устройства или педальные велосипеды.

Применение генераторов постоянного тока

Генераторы постоянного тока находят широкое применение в различных областях науки, техники и промышленности. Они являются неотъемлемой частью многих электротехнических устройств и служат источником стабильного постоянного напряжения, необходимого для их работы.

Один из наиболее распространенных способов их использования заключается в интеграции в системы электропитания. Генераторы постоянного тока предоставляют долговечное и надежное электрическое напряжение, которое не подвержено колебаниям или изменениям во входном напряжении. Это критично для оборудования, которое нуждается в постоянном и точном питании, таких как медицинские устройства и системы телекоммуникаций.

Также генераторы постоянного тока широко применяются в электротехнических устройствах, включая электрические машины и двигатели. Они обеспечивают устойчивое вращение ротора и помогают достичь нужной мощности и скорости. Это играет важную роль в автомобильной промышленности, где генераторы постоянного тока задействуются в системах стартеров и зарядки аккумуляторов.

Кроме того, генераторы находят применение в альтернативной энергетике, таких как солнечные и ветровые установки. Они преобразуют энергию, получаемую от солнечных панелей и ветряков, в электрическую энергию постоянного тока, что позволяет эффективно использовать возобновляемые источники энергии и снижать зависимость от традиционных источников.

В электроэнергетике

В сфере электроэнергетики генераторы постоянного тока играют ключевую роль. Они выступают в качестве устройств, которые преобразуют механическую энергию в электрическую и широко используются для обеспечения электроснабжения в различных отраслях, в транспорте, а также в резервных и аварийных системах.

Принцип действия генератора постоянного тока основывается на явлении электромагнитной индукции. Внутри устройства присутствует статор с намагниченными постоянными магнитами или электромагнитами. Вокруг него расположенный ротор, соединенный с вращающимся валом, создает движение.

Это движение способствует изменению магнитного поля в статоре, что, в свою очередь, вызывает электромагнитную индукцию в внешней обмотке генератора. Это приводит к образованию постоянного тока во внешней цепи, чем обеспечивает генератор стабильным и постоянным напряжением.

Генераторы постоянного тока можно классифицировать по различным параметрам, включая тип возбуждения, мощность, конструкцию и другие технические свойства. Эта классификация позволяет выбрать генератор, который наилучшим образом соответствует необходимым параметрам и условиям эксплуатации.