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 генератор тока получил широкое распространение, поскольку стал основным источником 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 тока

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

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.

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).

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 тока этих электростанций применяются двухполюсные роторы. На гидроэлектростанциях турбины вращаются намного медленнее, и число полюсов электрогенератора может достигать сорока.

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.

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.