Принцип работы индукционного генератора. Как работает электрогенератор

Без электричества ни сам ДВС, ни автомобиль не смогли бы обойтись в принципе. Электрооборудование автомобилей все усложняется и развивается, но остаются постоянными конструкции нескольких основных устройств - это аккумуляторная батарея и генератор тока, который необходим для обеспечения бортовой системы стабильным током определённого номинала и постоянной зарядки АКБ.

Требования к автомобильному генератору

Основной задачей генератора считается не только выработка тока, но и обеспечение его постоянных параметров, независимо от частоты вращения коленчатого вала, приводящего генератор в движение. Это необходимо для того, чтобы аккумулятор не разражался на низких оборотах мотора, а на высоких это нужно, чтобы избежать избыточной зарядки АКБ. Кроме того к стабильности напряжения и тока не менее чувствительны лампы, светодиоды, электрические приборы, особенно в современных технологически сложных автомобилях.

Генератор должен не просто отдавать стабильный ток, но и быть выносливым к высокой температуре, к вибрациям и влаге, иметь определённую грязезащиту, поскольку устанавливается он в подкапотном пространстве, где условия работы очень нестабильны. Конструкция и принцип работы генератора переменного тока практически во всех современных автомобилях идентичны.

Типы современных генераторов

Генераторы современных автомобилей работают, используя единый принцип электромагнитной индукции. Не углубляясь в сложные физические процессы, отметим, что генератор преобразует механическую энергию, отобранную с коленчатого вала работающего двигателя, в магнитные потоки, а в результате их взаимодействия на выходе из генератора потребитель получает электричество строго заданного напряжения, силы тока и частоты.

Но для образования магнитного поля необходимо наличие определённого напряжения на катушке. По типу возбуждения генераторы бывают:

на постоянных магнитах;

самовозбуждающиеся, когда электрический ток для возбуждения образуется в результате работы самого генератора;

принудительного возбуждения, когда ток подаётся от стороннего источника электричества.

Существуют также генераторы постоянного и переменного тока. В современных автомобилях используются как раз последний вид генераторов.

Конструкция и работа генератора

Каждый из генераторов состоит из двух основных частей - индуктора, в котором создаётся электромагнитное поле, и якоря, который преобразует электромагнитную энергию в электрическую. Неподвижная часть генератора называется статором, а подвижная, которая и является индуктором, называется ротором. Генераторы переменного тока снабжены статором с трехфазной обмоткой, в то время как генераторы постоянного тока имеют однофазную обмотку, за счёт чего больше в размерах и по весу. Именно по этой причине конструкторы вынуждены были отказаться от устройств постоянного тока, хотя генератор переменного тока требует стабилизации напряжения и преобразования переменного в постоянный ток.

Чтобы стабилизировать и преобразовать переменный ток в постоянный, необходимо применить три однофазных стабилизатора, три обмотки, подключённых по схеме «звезда» или «треугольник». Обмотки, фазы, смещены друг относительно друга на 120 градусов, но при разном типе подключения обмоток можно получить разные выходные токи. Разные как по силе, так и по стабильности. В синхронных генераторах импортного производства иногда применяется подключение по треугольной схеме. Напряжение менее стабильно, но зато есть возможность выполнить обмотку более тонким проводом, что уменьшит цену, размеры и вес всего устройства. При подключении звездой также можно выполнить обмотку тонким проводом, но при этом необходимо каждую обмотку выполнить из двух тонких обмоток, соединённых по той же звёздной схеме.

Как выпрямить и стабилизировать ток

Ток на выходе генератора необходимо стабилизировать и разные производители решают эту задачу по-разному. Выпрямитель для трехфазной схемы подключения должен иметь шесть полупроводниковых диодов, подключённых к плюсу выходной клеммы генератора и к массе автомобиля. Если необходимо повысить мощность генератора, необходимо установить дополнительное плечо на выпрямителе и подключить его к нулевому выводу соединения обмоток в звезду. Треугольная схема не предполагает такой возможности.

Индукционный генератор переменного тока. В индукционных генераторах переменного тока механическая энергия превращается в электрическую. Индукционный генератор состоит из двух частей: подвижной, которая называется ротором, и неподвижной, которая называется статором. Действие генератора основано на явлении электромагнитной индукции. Индукционные генераторы имеют сравнительно простое устройство и позволяют получать большие токи при достаточно высоком напряжении. В настоящее время имеется много типов индукционных генераторов, но все они состоят из одних и тех же основных частей. Это, во-первых, электромагнит или постоянный магнит, создающий магнитное поле, и, во-вторых, обмотка, состоящая из последовательно соединенных витков, в которых индуцируется переменная электродвижущая сила. Так как электродвижущие силы, наводимые в последовательно соединенных витках, складываются, то амплитуда электродвижущей силы индукции в обмотке пропорциональна числу витков в ней.

Рис. 6.9

Число силовых линий, пронизывающих каждый виток, непрерывно меняется от максимального значения, когда он расположен поперек поля, до нуля, когда силовые линии скользят вдоль витка. В результате при вращении витка между полюсами магнита через каждые пол-оборота направление тока меняется на противоположное, и в витке появляется переменный ток. Во внешнюю цепь ток отводится при помощи скользящих контактов. Для этого на оси обмотки укреплены контактные кольца, присоединенные к концам обмотки. Неподвижные пластины – щетки – прижаты к кольцам и осуществляют связь обмотки с внешней цепью (рис. 6.9).

Пусть виток провода вpащается в одноpодном магнитном поле с постоянной угловой скоpостью . Магнитный поток, пронизывающий виток, меняется по закону , здесь S – площадь витка. Согласно закону Фаpадея в обмотке наводится электродвижущая сила индукции, которая опpеделяется следующим обpазом:

где N – число витков в обмотке. Таким образом, электродвижущая сила индукции в обмотке изменяется по синусоидальному закону и пpопоpциональна числу витков в обмотке и частоте вpащения.

В опыте с вращающейся обмоткой статором является магнит и контакты, между которыми помещена обмотка. В больших промышленных генераторах вращается электромагнит, который является ротором, в то время как обмотки, в которых наводится электродвижущая сила, уложены в пазах статора и остаются неподвижными. На тепловых электростанциях для вращения ротора используются паровые турбины. Турбины, в свою очередь, приводятся во вращение струями водяного пара, полученного в огромных паровых котлах за счет сжигания угля или газа (теплоэлектростанции) или распада вещества (атомные электростанции). На гидроэлектростанциях для вращения ротора используются водяные турбины, которые вращаются водой, падающей с большой высоты.

Электрогенераторы играют важнейшую роль в развитии нашей технологической цивилизации, поскольку позволяют получать энергию в одном месте, а использовать ее в другом. Паровая машина, например, может преобразовывать энергию сгорания угля в полезную работу, но использовать эту энергию можно только там, где установлены угольная топка и паровой котел. Электростанция же может размещаться весьма далеко от потребителей электроэнергии – и, тем не менее, снабжать ею заводы, дома и т.п.

Рассказывают (скорее всего, это всего лишь красивая сказка), будто Фарадей демонстрировал прототип электрогенератора Джону Пилу, канцлеру казначейства Великобритании, и тот спросил ученого: «Хорошо, мистер Фарадей, все это очень интересно, а какой от всего этого толк?».

«Какой толк? – якобы удивился Фарадей. – Да вы знаете, сэр, сколько налогов эта штука со временем будет приносить в казну?!»

Трансформатор.

Трансформатор. Электродвижущая сила мощных генераторов электростанций велика, между тем практическое использование электроэнергии требует чаще всего не очень высоких напряжений, а передача энергии, наоборот, очень высоких.

Для уменьшения потерь на нагревание проводов необходимо уменьшить силу тока в линии передачи, и, следовательно, для сохранения мощности увеличить напряжение. Напряжение, вырабатываемое генераторами (обычно около 20 кВ), повышают до напряжения 75 кВ, 500 кВ и даже до напряжения 1,15 МВ, в зависимости от длины линии электропередачи. Повышая напряжение с 20 до 500 кВ, то есть в 25 раз, уменьшают потери в линии в 625 раз.

Преобразование переменного тока определенной частоты, при котором напряжение увеличивается или уменьшается в несколько раз практически без потери мощности, осуществляется электромагнитным устройством, не имеющим подвижных частей – электрическим трансформатором. Трансформатор – важный элемент многих электрических приборов и механизмов. Зарядные устройства и игрушечные железные дороги, радиоприемники и телевизоры – всюду трудятся трансформаторы, которые понижают или повышают напряжение. Среди них встречаются как совсем крошечные, не более горошины, так и настоящие колоссы массой в сотни тонн и более.

Рис. 6.10

Трансформатор состоит из магнитопровода, представляющего собой набор пластин, которые обычно изготавливаются из ферромагнитного материала (рис. 6.10). На магнитопроводе располагаются две обмотки – первичная и вторичная. Та из обмоток, которая подключается к источнику переменного напряжения, называется первичной, а та, к которой присоединяют «нагрузку», то есть приборы, потребляющие электроэнергию, называется вторичной. Ферромагнетик увеличивает количество силовых линий магнитного поля приблизительно в 10 000 раз и локализует поток магнитной индукции внутри себя, благодаря чему обмотки трансформатора могут быть пространственно разделены и все же остаются индуктивно связанными.

Действие трансформатора основано на явлениях взаимной индукции и самоиндукции. Индукция между первичной и вторичной обмоткой взаимна, то есть ток, протекающий во вторичной обмотке, индуцирует электродвижущую силу в первичной, точно так же, как первичная обмотка индуцирует электродвижущую силу во вторичной. Более того, поскольку витки первичной обмотки охватывают собственные силовые линии, в них самих возникает электродвижущая сила самоиндукции. Электродвижущая сила самоиндукции наблюдается также и во вторичной обмотке.

Пусть первичная обмотка подсоединяется к источнику переменного тока с электродвижущей силой , поэтому в ней возникает переменный ток , создающий в магнитопроводе трансформатора переменный магнитный поток ? , который сосредотачивается внутри магнитного сердечника и пронизывает все витки первичной и вторичной обмоток.

При отсутствии внешней нагpузки выделяемая в тpансфоpматоpе мощность близка к нулю, то есть близка к нулю сила тока. Применим к первичной цепи закон Ома: сумма электродвижущей силы индукции и напряжения в цепи равна произведению силы тока на сопротивление. Полагая , можно записать: , следовательно, , где Ф – поток пронизывающий каждый виток первичной катушки. В идеальном трансформаторе все силовые линии проходят через все витки обеих обмоток, и поскольку изменяющееся магнитное поле порождает одну и ту же электродвижущую силу в каждом витке, то суммарная электродвижущая сила, индуцируемая в обмотке, пропорциональна полному числу ее витков. Следовательно, .

Коэффициент трансформации напряжения равен отношению напpяжения во вторичной цепи к напряжению в первичной цепи. Для амплитудных значений напряжений на обмотках можно записать:

Таким образом, коэффициент трансформации определяется как отношение числа витков вторичной обмотки к числу витков первичной обмотки. Если коэффициент , трансформатор будет повышающим, а если – понижающим.

Написанные выше соотношения, строго говоря, применимы только к идеальному трансформатору, в котором нет рассеяния магнитного потока и отсутствуют потери энергии на джоулево тепло. Эти потери могут быть связаны с наличием активного сопротивления самих обмоток и возникновением индукционных токов (токов Фуко) в сердечнике.

Токи Фуко.

Токи Фуко. Индукционные токи могут возникать также в сплошных массивных проводниках. При этом замкнутая цепь индукционного тока образуется в толще самого проводника при его движении в магнитном поле или под влиянием переменного магнитного поля. Эти токи названы по имени французского физика Ж.Б.Л. Фуко, который в 1855 г. обнаружил нагревание ферромагнитных сердечников электрических машин и других металлических тел в переменном магнитном поле и объяснил этот эффект возбуждением индукционных токов. Эти токи в настоящее время называются вихревыми токами или токами Фуко.

Если железный сердечник находится в переменном магнитном поле, то в нем под действием индукционного электрического поля наводятся внутренние вихревые токи – токи Фуко, ведущие к его нагреванию. Так как электродвижущая сила индукции всегда пропорциональна частоте колебаний магнитного поля, а сопротивление массивных проводников мало, то при высокой частоте в проводниках будет выделяться, согласно закону Джоуля–Ленца, большое количество тепла.

Во многих случаях токи Фуко бывают нежелательными, поэтому приходится принимать специальные меры для их уменьшения. В частности, эти токи вызывают нагревание ферромагнитных сердечников трансформаторов и металлических частей электрических машин. Для снижения потерь электрической энергии из-за возникновения вихревых токов сердечники трансформаторов изготавливают не из сплошного куска ферромагнетика, а из отдельных металлических пластин, изолированных друг от друга диэлектрической прослойкой.

Рис. 6.11

Вихревые токи широко используются для плавки металлов в так называемых индукционных печах (рис. 6.11), для нагревания и плавления металлических заготовок, получения особо чистых сплавов и соединений металлов. Для этого металлическую заготовку помещают в индукционную печь (соленоид, по которому пропускают переменный ток). Тогда, согласно закону электромагнитной индукции, внутри металла возникают индукционные токи, которые разогревают металл и могут его расплавить. Создавая в печи вакуум и применяя левитационный нагрев (в этом случае силы электромагнитного поля не только разогревают металл, но и удерживают его в подвешенном состоянии вне контакта с поверхностью камеры), получают особо чистые металлы и сплавы.

Генератор переменного тока - что это такое? Это электрическая машина, преобразующая энергию механического взаимодействия в электроэнергию. Как она работает? Закон электромагнитной индукции является основным в принципах работы такого устройства, как генератор переменного тока. Как известно из законов электромагнетизма, электродвижущая сила (ЭДС) может индуктироваться (создаваться) только в нескольких случаях: при изменении параметров магнитного потока вокруг самого проводника или же при движении проводника в магнитных полях. Магнитное поле - это материальная среда, которую можно обнаружить исключительно эмпирическим (опытным путем). То есть для выявления наличия или отсутствия такого силового поля в область его возможного действия необходимо внести проводник с током или намагниченное тело.

Характеристики генератора

В таком устройстве, как генератор переменного тока, основную часть занимает электромагнит. Он состоит из ферримагнитного сердечника и катушки и предназначен для формирования магнитного потока. Есть набор основных требований, которые предъявляются к подобным машинам: диапазон вращения от 50 до 12000 оборотов за минуту, широчайший диапазон возможных мощностей (от нескольких ватт до сотен мегаватт), минимальные масса и габариты, высокая надежность и работоспособность.

Трехфазный генератор переменного тока

Обычно такая машина бывает синхронной. Основная ее задача - преобразование любого вида энергии в электроэнергию. Традиционно, это механическая энергия. Почему генератор переменного тока называют синхронным? Это такая бесколлекторная машина, у которой скорость вращения постоянная и при заданной частоте определяется числом полюсов. Генератор переменного тока получил огромное распространение в производстве и в железнодорожном транспорте. Именно благодаря синхронности вращения его используют на рефрижераторных секциях и тепловозах.

Генератор переменного тока: устройство и основные принципы действия

Если вращать ротор и индуктор, то в обмотках статора начнет индуктироваться ЭДС. Именно это явление - основа для работы как трехфазных, так и однофазных машин. Благодаря широчайшему применению на тепловозах, первичным двигателем в таких тяговых синхронных генераторах может быть даже дизельный (двигатель внутреннего сгорания). Неподвижная часть у генератора переменного тока - статор, который состоит из сердечника и корпуса.

В пазы статора вложена обмотка, благодаря которой индуктируется ЭДС. Сердечник набирают из спрессованных листов специальной электротехнической стали. Ротор - это вал, на котором закреплены сердечники генераторных полюсов. Существуют полюса ярко- и слабовыраженные. Обмотка выполняется из медных проводов, обычно круглого или же прямоугольного сечения. Концы обмотки выводят к контактным кольцам. С помощью установленных в щеткодержателях щеток, которые прижимаются к контактным поверхностям пружинами, осуществляется токосъём. Учитывая несложную конструкцию, вполне реально сделать генератор переменного тока своими руками. Принцип действия его крайне прост. Ротор вращается при помощи двигателя. Магнитное поле ротора вращается с ним вместе. Именно по этому принципу и работает генератор переменного тока.

Электрогенератор – один из составляющих элементов автономной электростанции , а также многих других. По сути, он и является самым важным элементом, без которого невозможна выработка электрической энергии . Электрогенератор преобразует вращательную механическую энергию в электрическую. Принцип его действия основан на так называемом явлении самоиндукции, когда в проводнике (катушке), двигающемся в силовых линиях магнитного поля возникает электродвижущая сила (ЭДС), которую можно (для лучшего понимания вопроса) назвать электрическим напряжением (хотя это и не одно и то же).

Составными частями электрического генератора являются магнитная система (в основном используются электромагниты) и система проводников (катушек). Первая создает магнитное поле, а вторая, вращаясь в нем, преобразует его в электрическое. Дополнительно в генераторе есть еще и система отвода напряжения (коллектор и щетки, соединение катушек определенным образом). Она собственно связывает генератор с потребителями электрического тока.

Получить электроэнергию можно и самому, проведя самый простейший опыт. Для этого нужно взять два разнополюсных магнита или повернуть два магнита разными полюсами друг к другу, и поместить между ними металлический проводник в виде рамки. К ее концам подключить небольшую (слабомощную) электрическую лампочку. Если рамку начать вращать в ту или другую сторону, лампочка начнет светится, то есть на концах рамки появилось электрическое напряжение, а через ее спираль потек электрический ток . Точно также происходит в электрогенераторе, стой лишь разницей, что в электрогенераторе более сложная система электромагнитов и намного сложнее катушка из проводников, обычно медных.

Электрогенераторы различаются как по типу привода, так и по виду выходного напряжения. По типу привода, который приводит его в движение:

• Турбогенератор – приводится в движение при помощи паровой турбины или газотурбинного двигателя. В основном используются на больших (промышленных) электростанциях.
• Гидрогенератор – приводится в движение при помощи гидравлической турбины. Применяется также на больших электростанциях, работающих посредством движения речной и морской воды.
• Ветрогенератор – приводится в движение при помощи энергии ветра. Используется как в маленьких (частных) ветряных электростанциях , так и в больших промышленных.
• Дизель-генератор и бензо-генератор приводятся в движение соответственно дизельным и бензиновым двигателем.

По виду выходного электрического тока:

• Генераторы постоянного тока – на выходе получаем постоянный ток.
• Генераторы переменного тока. Бывают однофазные и трехфазные, с однофазным и трехфазным выходным переменным током соответственно.

Различные типы генераторов имеют свои конструктивные особенности и практически несовместимые узлы. Объединяет их лишь общий принцип создания электромагнитного поля путем взаимного вращения одной системы катушек относительно другой либо относительно постоянных магнитов. Ввиду этих особенностей ремонт генераторов или их отдельных компонентов под силу только квалифицированным специалистам.

На практике используется несколько видов генераторов. Но каждый из них включает в себя одни и те же составные элементы. К ним относятся магнит, который создает соответствующее поле, и специальная проволочная обмотка, где создается электродвижущая сила (ЭДС). В простейшей модели генератора роль обмотки выполняет рамка, способная вращаться вокруг горизонтальной или вертикальной оси. Амплитуда ЭДС пропорциональна количеству витков, имеющихся на обмотке, и размаху колебаний магнитного потока.

Чтобы получить значительный по силе магнитный поток, в генераторах используют особую систему. Она состоит из пары стальных сердечников. Обмотки, которые создают переменное магнитное поле, помещают в пазы первого из них. Те витки, которые индуцируют ЭДС, укладывают в пазы второго сердечника.

Внутренний сердечник называют ротором. Он вращается вокруг оси вместе с имеющейся на нем обмоткой. Тот сердечник, который остается без движения, выполняет функцию статора. Чтобы сделать поток магнитной индукции наиболее сильным, а потери энергии минимальными, расстояние между статором и ротором стараются сделать как можно меньше.

По какому принципу работает генератор

Электродвижущая сила возникает в обмотках статора сразу после появления электрического поля, для которого характерны вихревые образования. Эти процессы порождаются изменением магнитного потока, которое наблюдается при ускоренном вращении ротора.

Ток от ротора подается в электрическую цепь при помощи контактов, имеющих вид элементов скольжения. Чтобы сделать это было легче, к концам обмотки присоединяют кольца, называемые контактными. К кольцам прижимаются неподвижные щетки, через которые и осуществляется связь между электрической цепью и обмоткой движущегося ротора.

В витках обмотки магнита, где создается магнитное поле, ток имеет сравнительно небольшую силу, если сравнивать его с тем током, который генератор отдает внешней цепи. По этой причине уже конструкторы первых генераторов решили отводить ток от обмоток, расположенных статично, а слабый ток к вращающемуся магниту подавать через контакты, обеспечивающие скольжение. В генераторах малой мощности поле создает магнит постоянного типа, который способен вращаться. Такая конструкция позволяет упростить всю систему и вовсе не использовать кольца и щетки.

Современный промышленный генератор электрического тока представляет собой массивное и громоздкое сооружение, которое состоит из металлических конструкций, изоляторов и медных жил. Размеры устройства могут составлять несколько метров. Но даже для такого солидного сооружения очень важно выдержать точные габариты деталей и зазоры между подвижными частями электрической машины.