Генератор переменного тока: устройство и принципы работы

После открытия явления электромагнитной индукции М. Фарадеем в 1831 году были изобретены разнообразные электрические машины. Электрогенераторы среди них являются основой всех современных электросетей. Они являются источниками электроэнергии и первыми определяют её количество и качество. Прежде чем появляется возможность использования электричества потребителями необходимо не один раз выполнить преобразование напряжения для уменьшения потерь определяемых передачей электроэнергии.

По этой причине наиболее эффективными уже долгое время являются электросети с переменным напряжением и током. Их частота в разных странах выбирается либо 50, либо 60 Герц, потому что эти значения опять-таки наиболее экономически оправданы на нынешнем этапе развития науки и техники. В самом начале любой электрической сети находится один или несколько синхронных генераторов переменного тока.

Принцип работы

Чтобы в проводнике появился электроток, силовые линии магнитного поля должны быть подвижными относительно этого проводника. С этой целью в генераторе переменного тока подвижный вращающийся магнит, который своим магнитным полем пересекает неподвижные проводники. Он расположен на вале, вращаемом внешним источником механической энергии.

Вал с магнитом называется ротором или индуктором. Конструктивно ротор может быть выполнен как с постоянным магнитом из специального магнитного материала, так и с электромагнитом. Такая электрическая машина называется синхронной, поскольку магнитное поле в ней вращается вместе с ротором.

Для получения наиболее эффективного магнитного поля наибольшее распространение получила конструкция с ротором, изготовленным из специальных сплавов в виде сердечника охваченного витками обмотки, по которой течёт постоянный ток. Обмотка называется как «обмотка возбуждения». Источник тока возбуждения может быть как внешним, так и встроенным в ротор. Внешний источник подключается к двум неподвижным щёткам.

Последние расположены на основании, относительно которого вращается ротор, и образуют скользящие контакты с двумя соответствующими кольцами, расположенными на роторе. Встроенный источник является отдельной обмоткой с выпрямителем переменного тока. Его преимущество состоит в том, что скользящие контакты исключены из такой конструкции. Роторы могут конструктивно отличаться. Они делаются явнополюсными, неявнополюсными, снабжаются демпферными обмотками.

Для того чтобы получить необходимое значение частоты тока и напряжение надо за единицу времени получить определённое число пересечений силовых линий магнитного поля с проводником. С целью наиболее эффективного взаимодействия магнитного поля и проводника он выполнен в виде витков обмотки расположенных на сердечнике из специального сплава. Таких сердечников делается столько, сколько потребуется в соответствии с решаемой технической задачей.

Они располагаются вокруг ротора и называются статором. Каждый сердечник статора состоит из двух частей, между которыми с некоторым зазором расположен ротор. Эти две части образуют так называемую пару полюсов электрогенератора. При вращении противоположные магнитные полюсы ротора перемещаются мимо противоположных частей сердечника статора.

Пары полюсов располагаются на основании относительно которого перемещается ротор. Конструктивно это основание выполнено в виде корпуса генератора переменного тока. Статор, щётки, кольца и ротор скрыты внутри корпуса. Из него выступает вал и клеммы щёток. При вращении вала внешней силой например турбиной статор является источником Э.Д.С. Частота напряжения и тока в статоре зависят от того сколько раз за единицу времени магнитный полюс ротора перемещается мимо сердечников статора.

Конструктивные разновидности

Поэтому влиять на частоту напряжения и тока можно либо скоростью вращения ротора, либо числом пар полюсов, либо и тем и другим вместе. При замедлении скорости вращения ротора для сохранения частоты напряжения и тока следует увеличивать число пар полюсов. Этим отличаются генераторы тепловых электростанций от генераторов гидроэлектростанций и ветряков.

Паровая турбина вращается быстро, а гидротурбина – медленно. Но при этом частота напряжения и тока, которые вырабатывают оба этих генератора одинаковые. Однако у генератора гидроэлектростанции число пар полюсов в несколько раз больше, и они чаще всего делаются с явнополюсными роторами. Генераторы на тепловых электростанциях по причине больших скоростей вращения в 1500 и 3000 об/мин делаются с неявнополюсными роторами. Число пар полюсов зависит и от количества фаз. Одной фазе соответствует одна пара полюсов статора. Поэтому трёхфазные варианты содержат три пары полюсов, как минимум.

• Пространственное расположение пар полюсов в многофазных генераторах определяет фазовый сдвиг напряжений и токов в фазных обмотках.

Пространственное расположение генераторов в рабочем состоянии по положению оси вращения ротора может быть как горизонтальным, так и вертикальным. Работа с паровой или газовой турбиной по причине больших центробежных нагрузок предусматривает только горизонтальное расположение, минимально возможный диаметр и максимально возможную длину генератора. Пример такой электрической машины показан на изображении ниже:

На гидроэлектростанциях в зависимости от напора воды могут использоваться как горизонтальные, так и вертикальные конструкции этих электрических машин. Существуют специальные конструкции явнополюсных генераторов относительно небольших мощностей порядка десяти киловатт. В них индуктор (которым обычно является ротор) неподвижен, а якорь (которым обычно является статор) вращается. Вырабатываемая электроэнергия через кольца и щётки поступает в нагрузку.

Ещё одной разновидностью источника электрической энергии является асинхронный генератор переменного тока. Он имеет наиболее простую конструкцию и высокую надёжность. Но его энергетические характеристики, стабильность частоты напряжения и тока невелики по сравнению с синхронными машинами. Это ограничивает область использования асинхронных генераторов. Они применяются лишь там, где необходима простота, надёжность и наименьшие расходы.