Принцип действия генератора тока: как он работает?

Основные детали конструкции

Первые опыты с получением электроэнергии проводил Майкл Фарадей в конце 19 века. С тех пор генераторы получили широкое распространение, поскольку стали основными источниками электрической энергии. Все виды энергии, используемые для получения электричества, в конце концов, вращают ротор генерирующей электрической машины, которая также может быть и двигателем.

Кроме ротора в такой машине есть статор, который неподвижен относительно ротора и служит корпусом машины. Задача ротора в генераторе – создать вращающееся магнитное поле. При этом в обмотках статора появится напряжение. Конструкции электрогенераторов основаны на электромагнитной индукции: провод, расположенный в изменяющемся магнитном поле становится источником электродвижущей силы.

Для увеличения ЭДС из провода делаются витки, образующие в обмотку. Таких обмоток, называемых якорем, на статоре машин переменного тока и на роторе машин постоянного может быть от одной до нескольких в зависимости от конструкции машины. Усиление магнитного поля внутри обмоток обеспечивается сердечником из специального материала — ферромагнетика. Этим материалом могут быть различные сплавы на основе железа и некоторых других металлов.

Разновидности генераторов

Существуют электрогенераторы постоянного и переменного тока. Постоянный ток обеспечивается коллектором со щётками, которые являются частью ротора.

Устройство машин постоянного тока

Щётки есть также и в некоторых конструкциях синхронных генераторов переменного тока. Используются щётки вместе с кольцами для питания ротора синхронной машины от внешнего источника, которая одновременно может быть и генератором и двигателем.

Коллектор в электрогенераторах постоянного тока является самым проблемным устройством. И коллектор и щётки изнашиваются из-за искрения в месте контакта, что также ограничивает и область использования из-за взрывоопасности. Генераторы переменного тока с выпрямителями успешно заменяют электрогенераторы постоянного тока.

Ротор генератора

Процесс создания намагничивания ротора называется возбуждением. Для создания ЭДС в якоре магнитное поле в роторе синхронной машины может быть создано

  • постоянными магнитами;
  • электромагнитами.

Электромагниты позволяют получить более эффективное и при этом отключаемое в некоторых конструкциях возбудителей магнитное поле. Постоянный ток необходимый для этого, поступает через кольца. С появлением мощных выпрямительных диодов их в некоторых моделях синхронных машин располагают на роторе. Это позволяет исключить из машины скользящие контакты — кольца и щётки.

По мере развития электротехники и промышленности оказалось, что трёхфазное напряжение с частотой 50 – 60 Герц наиболее удобно для промышленного использования. Чтобы получить такое напряжение потребуется магнитное поле от двухполюсного магнита, вращающегося со скоростью 3000 – 3600 оборотов в минуту.

При этом он перемещается между тремя обмотками, которые располагаются на вершинах воображаемого равностороннего треугольника (Рис.1) Чтобы усилить магнитное поле в сердечнике каждую обмотку разделяют пополам и располагают на одной линии по разные стороны ротора (Рис.2).

 Три обмотки  Схема сердечника

Рис.1

Рис.2

Если число полюсов удвоить скорость вращения ротора уменьшится в два раза и так далее. На тепловых электростанциях используются паровые турбины, которые вращаются с большой скоростью. Поэтому в генераторах этих электростанций применяются двухполюсные роторы. На гидроэлектростанциях турбины вращаются намного медленнее, и число полюсов электрогенератора может достигать сорока.

Таблица зависимости от числа роторов

Поскольку население получает фазные напряжения от трёхфазных трансформаторов, при отсутствии централизованного электроснабжения для различных бытовых целей производятся маломощные однофазные электрогенераторы. Устройство таких мини – генераторов такое же – вращающийся ротор и статор, но с одной обмоткой. Маломощные модели имеют ротор с постоянными магнитами, более мощные – с электромагнитами и питанием от статора. Вращение обеспечивают бензиновые и дизельные двигатели.

Бытовой генератор

Автомобильный электрогенератор является ещё одним массовым устройством. Он есть в каждом автомобиле. Его задача – подзарядка аккумулятора, а вращение обеспечивает двигатель автомобиля. Это синхронная машина с выпрямителем тока якоря на диодах. Возбуждение обеспечивается аккумулятором. Ток, поступающий в аккумулятор от генератора, поддерживается на определённом уровне специальным стабилизатором, который управляет возбуждением электрогенератора. Это необходимо из-за нестабильности оборотов автомобильного двигателя.

Если накоротко замкнуть щётки синхронной машины она превратиться в асинхронную машину. Причём для асинхронных машин кольца и щётки не требуются вовсе, поскольку концы обмотки ротора, просто соединяются друг с другом. Чтобы появился ток в обмотках статора, к ним подключают конденсатор. Остаточное магнитное поле в роторе создаст ЭДС в конденсаторной цепи якоря и появится ток, усиливающий магнитное поле ротора.

Этот эффект зависит от свойств материала сердечника, скорости вращения, параметров конденсатора. Напряжение и частота в асинхронной машине получаются менее стабильными, чем в синхронной машине из-за так называемого скольжения. Чтобы возникала электромагнитная индукция, частота тока в роторе должна быть больше чем частота тока в статоре. Иначе проводник ротора не будет перемещаться относительно магнитного поля статора. И в этом проводнике не появится ЭДС. В этом суть скольжения.

Синхронные и асинхронные машины являются наиболее распространёнными видами электрогенераторов. И это надолго. Альтернативных устройств пока что не наблюдается.

Электротехника Август 31, 2016 admin в 7:23
5 509 0
Добавить отзыв

Свежие комментарии