Устройство генератор что это простыми словами

Что нужно знать про автогенераторы? И зачем

Генератор снабжает электричеством автомобиль во время работы двигателя и попутно заряжает аккумулятор. Коленвал через ремень вращает вал генератора, и все системы автомобиля запитываются непосредственно от генератора.

Устройство современного автомобильного генератора. Источник: Simo Nieminen / Wikimedia

Уже более полувека в автомобилях применяются только генераторы переменного тока, так как они дешевле, надёжней и компактней, чем использовавшиеся до 1960-х годов генераторы постоянного тока. При этом для питания систем автомобиля требуется постоянный ток. Для превращения переменного тока в постоянный каждый генератор имеет диодный мост.

Генерируемое напряжение напрямую зависит от скорости вращения вала генератора — чем быстрее, тем выше напряжение. Автомобиль должен получать стабильное напряжение на уровне 14 вольт. Для поддержки этого уровня в генераторах установлен регулятор, который на малых оборотах поднимает выходное напряжение, а на высоких, наоборот, пропускает в сеть только необходимые 14 В.

Итак, генератор вырабатывает электричество, диодный мост превращает переменный ток в постоянный, а регулятор поддерживает напряжение на нужном уровне.

Регулятор Hella. Графитовые стержни, расположенные снизу, — это и есть щётки генератора. Источник: AlexxandrS / DRIVE2

2. Как узнать, что генератор требует замены или ремонта?

На неисправность генератора во время работы двигателя указывают лёгкие и тяжёлые симптомы.

К лёгким относится горящая лампа ошибки АКБ и снижение яркости галогенных фар и приборной панели при низких оборотах двигателя (на холостом ходу) — стоит вам остановиться на светофоре или тронуться, как фары и приборка начнут мерцать. При таком поведении чаще всего проблема оказывается в щётках генератора.

Тяжёлый симптом — гирлянда горящих ламп, сигнализирующих об ошибках на приборной панели. Если автомобиль сообщает, что в нём сломалось вообще всё, и непонятно, как вы ещё едете, это не значит, что пора брать кредит на ремонт половины машины. Куда более вероятно, что скачки напряжения в бортовой сети привели к появлению ошибок в бортовом компьютере.

Если во время езды на приборной панели всплывают все возможные ошибки, значит, генератор не справляется с отдачей требуемого напряжения и тока. Источник: Маша Глуховская / YouTube

Если автомобиль вообще не заводится, а неприятные щелчки втягивающего реле под капотом намекают на севший аккумулятор, это ещё не значит, что сломался именно генератор, допустив разрядку батареи. Вполне возможно, что аккумулятор выработал свой ресурс и отправился в страну вечной охоты, а генератору ещё жить и жить.

3. Это генератор плохо работает или к сети подключено слишком много потребителей?

Если у вас обычный легковой автомобиль в штатном оснащении, на котором вы передвигаетесь по маршруту дом — работа — магазин, то вам едва ли придётся задумываться о замене работающего генератора: он подбирается автопроизводителем исходя из уровня энергопотребления каждой конкретной комплектации, его мощности должно хватать для стабильного питания всех систем и подзарядки аккумулятора. Также предусмотрен небольшой запас выходного тока для подключения нетребовательной электроники, вроде телефона или сумки-холодильника.

Но бывают случаи, когда мощности штатного (и совершенно исправного) генератора не хватает для питания всех потребителей в автомобиле. Если вы вдруг решите поставить в багажник огромный сабвуфер, обвешать салон динамиками и установить мощный усилитель, то это будет повод задуматься о генераторе хотя бы на 30-40 А мощнее штатного.

Хотите поставить лобовое стекло с обогревом при том, что изначально обогрева не было? Практически наверняка придется менять генератор — на стадии сборки машины на заводе в неё поставили генератор, не готовый к таким нагрузкам.
Если же вы своими руками собираете экспедиционный автомобиль с двумя лебедками, дополнительным светом, рацией, инвертором на 220 В, видеорегистратором, радар-детектором, навигатором и USB-зарядками, то без нового генератора повышенной мощности не обойтись. Некоторые умельцы даже устанавливают два генератора одновременно — один для запитки требовательной бортовой сети, второй для подзарядки аккумулятора.

Каждый любитель мощного автозвука задумывается о втором генераторе. И в этом случае зачастую без самодельных креплений (на фото) не обойтись. Источник: fanngorn / DRIVE2

Так что если вы стали замечать симптомы нехватки электроэнергии, описанные в ответе на вопрос 2, хотя в автомобиле из дополнительной электроники только зарядка для смартфона — генератор явно неисправен.

А если вы поставили лампы поярче, динамики помощнее, а заодно провели электроподогрев сидений, то севший наутро аккумулятор практически наверняка укажет, что штатного генератора не хватает; переходите к вопросу 8.

4. Как проверить самому, исправен ли генератор?

Базовую диагностику можно провести, вооружившись мультиметром — недорогой, но крайне полезной в хозяйстве вещью.

Если у вас есть подозрения, что напряжение с генератора недостаточно для зарядки аккумулятора, то переведите мультиметр в режим замера напряжения при постоянном токе (DC) и коснитесь клемм проводов у аккумулятора. При работающем на холостом ходу двигателе мультиметр должен показать порядка 13,8–14,8 В. Если на клеммах аккумулятора будет меньше 13 В, это непорядок.

Простейший способ проверки генератора на работающем авто — судя по показаниям мультиметра, всё в порядке. Источник: RusLikRK / DRIVE2

Чтобы удостовериться, что дело именно в генераторе, а не в проводке, тем же мультиметром надо замерить напряжение на выходах генератора. Для этого найдите на генераторе контакт с маркировкой «30» («B+») — с него ток поступает на аккумулятор, — и проверьте напряжение между ним и кузовом автомобиля. На мультиметре должны быть те же 13,8–14,8 В.

Если у вас найдется ещё и амперметр, то можно проверить силу выдаваемого генератором тока в зависимости от нагрузки. Для этого замерьте ток на выводе «30» («B+») на холостом ходу, включив дальний свет, обогрев сидений и стекол, кондиционер, а затем поддайте газу. Рабочий генератор должен выдавать одинаковый ток вне зависимости от оборотов двигателя. Если ток скачет, значит, генератор требует внимания.

5. Что ломается в генераторах?

В генераторах бывают и механические поломки, и выход из строя электронных компонентов — последние ломаются чаще, но и чинятся проще.

Самым популярным дефектом была и остается некорректная работа регулятора, сказывающаяся на выходном напряжении генератора (оно становится недостаточным для питания авто и зарядки аккумулятора). Причина при этом будет заключаться в порче графитовых щеток и токопроводящих колец на центральном валу ротора: с годами щетки и кольца стираются, нарушается контакт, а выходное напряжение начинает плавать. Но такая поломка вряд ли грозит генератору раньше, чем через 10 лет.

На фото сильнейший износ токопроводящих колец, на которых графитовые щетки оставили глубокие канавки. Источник: delnvrs87 / DRIVE2

Иногда выгорает диодный мост. Обычно это происходит при долгой эксплуатации полуживого аккумулятора, который потребляет слишком высокий ток зарядки. Также диоды мгновенно выходят из строя при неправильном подключении проводов к полюсам аккумулятора.

Механические повреждения — очень редкий случай, они могут произойти при ДТП. Скорее генератор может просто закоротить, если на него попадёт масло или вода.

6. Можно ли ехать со сломанным генератором?

Если сломался именно генератор, а не порвался приводной ремень, то можно, но недолго — 50-150 км. Когда генератор выходит из строя, электроснабжение машины не прекращается — потребители просто переключатся с генератора на аккумулятор. Насколько хватит последнего, зависит от изношенности батареи и количества работающих потребителей.

Допустим, генератор перестал выдавать ток и вы мгновенно узнали об этом. Значит, у вас в запасе полностью заряженный аккумулятор на 55–75 А·ч. Если у вас не совсем ретро-автомобиль, то электричество нужно для работы топливного насоса, инжектора, зажигания, систем безопасности (ABS/ESP), приборной панели. При движении в темноте или под дождем потребуются фары или хотя бы габаритные огни и стеклоочистители. Добавим такие излишества в экстренной ситуации, как кондиционер, вентиляцию, обогрев стекла и сидений, круиз-контроль и музыку.

Если расходовать заряд аккумулятора максимально экономно, то при движении по трассе без пробок можно рассчитывать на 150 км пути. Когда без дополнительных потребителей не обойтись, да и аккумулятору уже лет 5-6, в запасе у вас будет порядка 50 км. Чаще всего этого достаточно, чтобы доехать до дома или ближайшей автомастерской.

А что же с приводным ремнем, упомянутым выше? Обрыв ремня также прекратит передачу крутящего момента на генератор, но это будет меньшая из проблем: в некоторых машинах от приводного ремня работает не только генератор, но и помпа системы охлаждения двигателя, так что обрыв приведет к быстрому перегреву мотора со всеми вытекающими последствиями. Поэтому при подозрении на поломку генератора в первую очередь надо проверить ремень и лишь потом сам генератор.

7. Можно ли самостоятельно починить генератор?

Да, если вы понимаете, как он устроен. В принципе, автомобильный генератор — это относительно простая и понятная деталь, которую трудно сломать по незнанию. Но сперва рекомендуем почитать соответствующие посты на DRIVE2 и посмотреть видео на YouTube.

Так как в генераторах чаще всего из строя выходит регулятор, который легко можно докупить и заменить своими руками, то самостоятельный ремонт генератора не доставит особых проблем. Из инструментов достаточно будет гаечных ключей или головок к шуруповерту.

А вот более сложный ремонт без опыта лучше не проводить — пока на генератор действует гарантия, то лучше воспользоваться ею. У производителей качественных комплектующих гарантия весьма велика. К примеру, у Hella на генераторы и стартёры она составляет честные три года.

Драйвовчанин w00dencase написал отличный подробный отчёт о самостоятельной замене в генераторе подшипников, щёток и колец. Источник: w00dencase / DRIVE2

Но, как говорится, есть нюанс. Некоторые автопроизводители, чаще всего премиальные марки, делают генераторы неремонтопригодными, с фирменными регуляторами, заменить которые можно только таким же фирменными и часто очень дорогими деталями. Если вас не устраивает цена на новый оригинальный генератор, которая может доходить до 70-100 тысяч рублей, попробуйте подобрать альтернативу от известного производителя. Например, от Hella — мы разрабатываем и производим генераторы, регуляторы и стартеры.

8. Как подобрать генератор помощнее?

Перед тем, как искать замену старому генератору, нужно точно узнать, модель с каким током у вас установлена сейчас. Простой способ узнать это: уточнить через поисковую систему, какой генератор ставится на ваш автомобиль с учётом двигателя.

Надёжный способ — заглянуть под капот и найти на генераторе наклейку с указанием мощности в амперах. Иногда до неё не так-то просто добраться, потребуется включить фонарик в телефоне или сделать несколько фотографий.

Чтобы понять, какая мощность необходима для дополнительной электроники в автомобиле, сложите мощность потребителей (если она указана в ваттах, разделите их на 12 В), прибавьте ее и запас в 20-30 А к параметрам установленного генератора.

В продаже встречаются генераторы даже на 250 А, но для экспедиционных автомобилей может потребоваться ещё больший ток. В таком случае стоит подумать об установке сразу двух генераторов.

Если вы хотите поставить генератор раза в два мощнее предыдущего, придётся подумать и о замене проводки, идущей непосредственно к генератору, — старые провода с малым сечением могут перегреться, изоляция расплавится, и случится неприятное короткое замыкание с массой авто, или провод просто сгорит.

Выходной ток — не единственный параметр, на который нужно обращать внимание при покупке генератора. Чтобы не заморачиваться с поиском модели с подходящей шириной шкива под ремень и тем более не менять шкив самому, лучше сразу обратиться к каталогу запчастей, совместимых конкретно с вашим автомобилем.
В нашем каталоге более 1100 моделей для 24 000 различных модификаций автомобилей, то есть для 80% существующего в мире автопарка. Кстати, у нас есть приложение-каталог для Android и iOS.

В онлайн-каталоге можно подобрать подходящую модель для Kia, Hyundai, Ford, Volkswagen, Lada и подавляющего большинства других эксплуатируемых в России марок. За совместимость генератора с вашим автомобилем можно не беспокоиться: если каталог говорит, что для вашей модели конкретного года выпуска с конкретным объемом двигателя подходит определенный генератор Hella, значит, так оно и есть. Машина старше 10 лет? Не вопрос — для авто в возрасте Hella продолжает выпускать генераторы, ведь новой машине новый генератор обычно не нужен.

Нужен генератор на, скажем, 20-летний Land Cruiser? В мобильном приложении-каталоге Hella выберите в настройках Россию (чтобы видеть доступный ассортимент), далее марку и точную модель автомобиля. Для удобства поиска выберите тип продукта: Alternator — так по-английски называется генератор — и вы получите номер подходящего устройства, по которому его (и другие запчасти) можно потом найти в продаже. Источник: Hella

9. Если поставить генератор(ы) мощнее штатного, упадет ли мощность двигателя?

Совсем немного. Генератор переводит механическую энергию двигателя в электрическую энергию, забирая часть его мощности. Типовой КПД автогенераторов на высоких оборотах составляет 50-60%. Посчитать долю потребления генератора очень просто, для этого берем его ток, умножаем на выходное напряжение, а затем получившуюся мощность в ваттах переводим в лошадиные силы и делим на 0,6 (КПД генератора).

Например, вы захотели поставить серьёзный генератор на 150 А со стандартным для легковых автомобилей напряжением 14 В. 150 × 14 = 2100 Вт, или 2,1 кВт. В одном киловатте около 1,35 лошадиные силы. 2,1 × 1,35 = 2,8 л. с. Учитываем КПД генератора: 2,8 / 0,6 = 4,6 л.с. Генератор на 150 А заберет от двигателя максимум 5 л. с. — если у вас не атмосферная микролитражка, жить можно. Причём эти 5 л. с. генератор на 150 А будет забирать не постоянно, а только если бортовая сеть автомобиля будет потреблять все 150 А.

10. А в чем разница между дорогим и дешевым генераторами с одинаковой силой тока?

Конечно, в качестве. Серьёзные компании могут применять в обмотке провода с квадратным сечением, что позволяет уменьшить габариты генератора. Кольца и щётки у них более долговечны, валы идеально отцентрованы. Качественные диоды снабжены большими радиаторами для отвода тепла. Если низкокачественный генератор может напомнить о себе уже через 50 тыс. км, то хороший брендовый продукт пройдет 200-300 тыс. км без обслуживания. Затем потребуется очень недорогой ремонт щеток и колец, и генератор продолжит работу.

Генератор Hella. Источник: Hella

Бывают ли поддельные генераторы? Возможно, бывают, но даже на DRIVE2 постов с однозначно выявленными подделками нет — есть только редкие подозрения на подделки. Дело в том, что афтемаркет генераторов слишком мал, чтобы подпольные конторы вкладывались в производство контрафакта. Многие автовладельцы при поломке этого элемента просто обращаются в сервис и не заморачиваются поиском новых генераторов в магазинах. Кроме того, у генераторов высокая себестоимость относительно конечной цены — сказывается большое количество меди. Производителям подделок гораздо выгоднее штамповать детали для ТО и элементы подвески, спрос на которые стабильно велик, чем пытаться продавать генераторы. Проще говоря, подделок под известные бренды нет, есть просто очень дешевые и некачественные генераторы с малым сроком службы.

Как устроены генераторы постоянного и переменного тока

Термин «генерация» в электротехнику пришел из латинского языка. Он обозначает «рождение». Применительно к энергетике можно сказать, что генераторами называют технические устройства, занимающиеся выработкой электроэнергии.

При этом надо оговориться, что производить электрический ток можно за счет преобразования различных видов энергии, например:

тепловой и других.

Исторически сложилось так, что генераторами называют конструкции, которые преобразуют кинетическую энергию вращения в электричество.

Электрический генератор можно определить как устройство, которое работает путем преобразования механической энергии в электрическую. Электрический генератор — это вращающаяся электрическая машина, которая преобразует энергию вращающегося ротора в универсально используемую электрическую энергию. Так что, по сути, генератор — это противоположность двигателя.

По виду вырабатываемой электроэнергии генераторы бывают:

1. постоянного тока;

Электрический генератор на тепловой электростанции

Принцип работы простейшего генератора

Физические законы, которые позволяют создавать современные электрические установки для выработки электроэнергии за счет преобразований механической энергии, открыты учеными Эрстедом и Фарадеем.

В конструкции любого генератора реализуется принцип электромагнитной индукции, когда происходит наводка электрического тока в замкнутой рамке за счет пересечения ее вращающимся магнитным полем, которое создается постоянными магнитами в упрощенных моделях бытового использования или обмотками возбуждения на промышленных изделиях повышенных мощностей.

При вращении рамки изменяется величина магнитного потока.

Электродвижущая сила, наводимая в витке, зависит от скорости изменения магнитного потока, пронизывающего рамку в замкнутом контуре S, и прямо пропорциональна его значению. Чем быстрее осуществляется вращение ротора, тем выше величина вырабатываемого напряжения.

Для того чтобы создать замкнутый контур и отвести с него электрический ток, потребовалось создать коллектор и щеточный узел, обеспечивающий постоянный контакт между вращающейся рамкой и стационарно расположенной частью схемы.

За счет конструкции подпружиненных щеток, прижимающихся к коллекторным пластинам, происходит передача электрического тока на выходные клеммы, а с них дальше он поступает в сеть потребителя.

Принцип работы простейшего генератора постоянного тока

При вращении рамки вокруг оси ее левая и правая половинки циклически проходят около южного или северного полюса магнитов. В них каждый раз происходит смена направлений токов на противоположное так, что у каждого полюса они протекают в одну сторону.

Для того чтобы в выходной цепи создавался постоянный ток, на коллекторном узле создано полукольцо для каждой половинки обмотки. Прилегающие к кольцу щетки снимают потенциал только своего знака: положительный или отрицательный.

Поскольку полукольцо вращающейся рамки разомкнуто, то в нем создаются моменты, когда ток достигает максимального значения или отсутствует. Чтобы поддерживать не только направление, но и постоянную величину вырабатываемого напряжения, рамку изготавливают по специально подготовленной технологии:

у нее используют не один виток, а несколько — в зависимости от величины запланированного напряжения;

число рамок не ограничивается одним экземпляром: их стараются сделать достаточным количеством для оптимального поддержания перепадов напряжения на одном уровне.

У генератора постоянного тока обмотки ротора располагают в пазах магнитопровода. Это позволяет сокращать потери наводимого электромагнитного поля.

Конструктивные особенности генераторов постоянного тока

Основными элементами устройства являются:

внешняя силовая рама;

коммутационный узел со щётками.

Корпус изготавливают из стальных сплавов или чугуна для придания механической прочности общей конструкции. Дополнительной задачей корпуса является передача магнитного потока между полюсами.

Полюса магнитов крепят к корпусу шпильками или болтами. На них монтируют обмотку.

Статор , называемый еще ярмом или остовом, изготавливают из ферромагнитных материалов. На нем размещают обмотку катушки возбуждения. Сердечник статора оснащен магнитными полюсами, образующими его магнитное силовое поле.

Ротор имеет синоним: якорь. Его магнитопровод состоит из шихтованных пластин, снижающих образование вихревых токов и повышающих КПД. В пазы сердечника заложены обмотки ротора и/или самовозбуждения.

Коммутационный узел со щетками может иметь разное количество полюсов, но оно всегда кратно двум. Материалом щеток обычно используют графит. Коллекторные пластины изготавливают из меди, как наиболее оптимального металла, подходящего по электрическим свойствам проводимости тока.

Благодаря использованию коммутатора на выходных клеммах генератора постоянного тока образуется сигнал пульсирующего вида.

Основные типы конструкций генераторов постоянного тока

По типу питания обмотки возбуждения различают устройства:

1. с самовозбуждением;

2. работающие на основе независимого включения.

Первые изделия могут:

использовать постоянные магниты;

или работать от внешних источников, например, аккумуляторных батарей, ветряной установки…

Генераторы с независимым включением работают от собственной обмотки, которая может быть подключена:

шунтами или параллельным возбуждением.

Один из вариантов подобного подключения показан на схеме.

Примером генератора постоянного тока может служить конструкция, которая раньше часто применялась на автомобильной технике. Ее устройство такое же, как у асинхронного двигателя.

Подобные коллекторные конструкции способны работать в режиме двигателя или генератора одновременно. За счет этого они получили распространение в существующих гибридных автомобилях.

Процесс образования якорной реакции

Она возникает в режиме холостого хода при неправильной настройке усилия прижатия щеток, создающее неоптимальный режим их трения. Это может привести к снижению магнитных полей или возникновению пожара из-за повышенного образования искр.

Способами ее снижения являются:

компенсации магнитных полей за счет подключения дополнительных полюсов;

настройка сдвига положения коллекторных щеток.

Преимущества генераторов постоянного тока

отсутствие потерь на гистерезис и образование вихревых токов;

работа в экстремальных условиях;

пониженный вес и маленькие габариты.

Принцип работы простейшего генератора переменного тока

Внутри этой конструкции используются все те же детали, что и у предыдущего аналога:

коллекторный узел со щетками для отвода тока.

Основное отличие заключается в устройстве коллекторного узла, который создан так, что при вращении рамки через щетки постоянно создается контакт со своей половинкой рамки без циклической смены их положения.

За счет этого ток, сменяющийся по законам гармоники в каждой половинке, полностью без изменений передается на щетки и далее через них в схему потребителя.

Естественно, что рамка создана намоткой не из одного витка, а рассчитанного их количества для достижения оптимального напряжения.

Таким образом, принцип работы генераторов постоянного и переменного тока общий, а отличия конструкции заключаются в изготовлении:

коллекторного узла вращающегося ротора;

конфигурации обмоток на роторе.

Конструктивные особенности промышленных генераторов переменного тока

Рассмотрим основные части промышленного индукционного генератора, у которого ротор получает вращательное движение от рядом расположенной турбины. В конструкцию статора включен электромагнит (хотя магнитное поле может создаваться набором постоянных магнитов) и обмотка ротора с определённым числом витков.

Внутри каждого витка индуктируется электродвижущая сила, которая последовательно складывается в каждом из них и образует на выходных зажимах суммарное значение напряжения, выдаваемого на схему питания подключенных потребителей.

Чтобы повысить на выходе генератора амплитуду ЭДС используют специальную конструкцию магнитной системы, выполненную из двух магнитопроводов за счет применения специальных сортов электротехнической стали в виде шихтованных пластин с пазами. Внутри их смонтированы обмотки.

В корпусе генератора расположен сердечник статора с пазами для размещения обмотки, создающей магнитное поле.

Вращающийся на подшипниках ротор тоже имеет магнитопровод с пазами, внутри которых смонтирована обмотка, получающая индуцируемую ЭДС. Обычно для размещения оси вращения выбирается горизонтальное направление, хотя, встречаются конструкции генераторов с вертикальным расположением и соответствующей конструкцией подшипников.

Между статором и ротором всегда создается зазор, необходимый для обеспечения вращения и исключения заклинивания. Но, в то же время в нем происходит потеря энергии магнитной индукции. Поэтому его стараются делать минимально возможным, оптимально учитывая оба этих требования.

Расположенный на одном валу с ротором возбудитель является электрогенератором постоянного тока, обладающим относительно небольшой мощностью. Его назначение: питать электроэнергией обмотки силового генератора в состоянии независимого возбуждения.

Подобные возбудители применяют чаще всего с конструкциями турбинных или гидравлических электрогенераторов при создании основного либо резервного способа возбуждения.

На картинке промышленного генератора показано расположение коллекторных колец и щеток для съема токов с конструкции вращающегося ротора. Этот узел при работе испытывает постоянные механические и электрические нагрузки. Для их преодоления создается сложная конструкция, которая при эксплуатации требует периодических осмотров и выполнения профилактических мероприятий.

Чтобы снизить создаваемые эксплуатационные затраты применяется другая, альтернативная технология, при которой тоже используется взаимодействие между вращающимися электромагнитными полями. Только на роторе располагают постоянные или электрические магниты, а напряжение снимают со стационарно расположенной обмотки.

При создании подобной схемы такую конструкцию могут называть термином «альтернатор». Она применяется в синхронных генераторах: высокочастотных, автомобильных, на тепловозах и судах, установках электрических станций энергетики для производства электроэнергии.

Особенности синхронных генераторов

Название и отличительный признак действия заключен в создании жесткой связи между частотой переменной электродвижущей силы, наводимой в статорной обмотке «f» и вращением ротора.

В статоре вмонтирована трехфазная обмотка, а на роторе — электромагнит с сердечником и обмоткой возбуждения, запитанной от цепей постоянного тока через щеточный коллекторный узел.

Ротор приводится во вращение от источника механической энергии — приводного двигателя с одинаковой скоростью. Его магнитное поле совершает такое же движение.

В обмотках статора наводятся одинаковые по величине, но сдвинутые на 120 градусов по направлению электродвижущие силы, создающие трехфазную симметричную систему.

При подключении на концы обмоток цепей потребителей в схеме начинают действовать токи фаз, которые образуют магнитное поле, вращающееся точно так же: синхронно.

Форма выходного сигнала наводимой ЭДС зависит только от закона распределения вектора магнитной индукции внутри зазора между полюсами ротора и пластинами статора. Поэтому добиваются создания такой конструкции, когда величина индукции меняется по синусоидальному закону.

Когда зазор имеет постоянную характеристику, то вектор магнитной индукции внутри зазора создается по форме трапеции, как показано на графике линий 1.

Если же форму краев на полюсах исправить на косоугольную с изменением зазора до максимального значения, то можно добиться синусоидальной формы распределения, как показано линией 2. Этим приемом и пользуются на практике.

Схемы возбуждения синхронных генераторов

Магнитодвижущая сила, возникающая на обмотке возбуждения «ОВ» ротора, создает его магнитное поле. Для этого существуют разные конструкции возбудителей постоянного тока, основанные на:

1. контактном методе;

2. бесконтактном способе.

В первом случае используется отдельный генератор, называемый возбудителем «В». Его обмотка возбуждения питается от дополнительного генератора по принципу параллельного возбуждения, именуемого подвозбудителем «ПВ».

Все роторы размещаются на общем валу. За счет этого они вращаются совершенно одинаково. Реостаты r1 и r2 служат для регулирования токов в схемах возбудителя и подвозбудителя.

При бесконтактном способе отсутствуют контактные кольца ротора. Прямо на нем монтируют трехфазную обмотку возбудителя. Она синхронно вращается с ротором и передает через совместно вращающийся выпрямитель электрический постоянный ток непосредственно на обмотку возбудителя «В».

Разновидностями бесконтактной схемы являются:

1. система самовозбуждения от собственной обмотки статора;

2. автоматизированная схема.

При первом методе напряжение от обмоток статора поступает на понижающий трансформатор, а затем — полупроводниковый выпрямитель «ПП», вырабатывающий постоянный ток.

У этого способа первоначальное возбуждение создается за счет явления остаточного магнетизма.

Автоматическая схема создания самовозбуждения включает использование:

трансформатора напряжения ТН;

автоматизированного регулятора возбуждения АВР;

трансформатора тока ТТ;

выпрямительного трансформатора ВТ;

тиристорного преобразователя ТП;

блока защиты БЗ.

Особенности асинхронных генераторов

Принципиальное отличие этих конструкций состоит в отсутствие жесткой связи между частотами вращения ротора (nr) и индуцируемой в обмотке ЭДС (n). Между ними всегда существует разница, которую называют «скольжением». Ее обозначают латинской буквой «S» и выражают формулой S=(n-nr)/n.

При подключении нагрузки на генератор создается тормозной момент для вращения ротора. Он влияет на частоту вырабатываемой ЭДС, создает отрицательное скольжение.

Конструкцию ротора у асинхронных генераторов изготавливают:

Асинхронные генераторы могут иметь:

1. независимое возбуждение;

В первом случае используется внешний источник переменного напряжения, а во втором — полупроводниковые преобразователи или конденсаторы в первичной, вторичной или обоих видах схем.

Таким образом, генераторы переменного и постоянного тока имеют много общих черт в принципах построения, но отличаются конструктивным исполнением определённых элементов.

Первые электрические генераторы

Все началось в начале 19 века с экспериментов с новым явлением – электрическим током, когда было обнаружено, что ток, протекающий по проводнику, каким-то образом влияет на стрелку компаса.

Это означает, что электрический ток создает определенное магнитное поле, на которое реагирует стрелка. За счет увеличения силы тока и увеличения числа токонесущих проводников (например, в виде витков катушки на железном сердечнике) создается более сильное магнитное поле.

Электрический заменитель природных постоянных магнитов — электромагнит — увидел свет. В то время гальванические элементы (батареи) были эксклюзивным поставщиком постоянного тока.

Несколько лет спустя английский физик Майкл Фарадей предположил, что может существовать и обратное явление, когда магнитное поле вызывает появление электрического тока.

Путем ряда экспериментов он подтвердил свое предположение и открыл электромагнитную индукцию, которая до сих пор является основой всей электротехники и энергетики.

Электрогенератор с паровым двигателем. Гравюра из немецкого справочника 1907 года.

Закон электромагнитной индукции гласит, что при изменении магнитного поля вблизи проводника на его концах создается (индуцируется) напряжение и по замкнутой цепи начинает протекать ток. Здесь важно слово «изменения», само по себе наличие постоянного магнитного поля не вызывает создания тока.

Первый электрический генератор Майкла Фарадея открыл человечеству многообещающий путь замены используемых в то время гальванических элементов (количество энергии которых очень ограничено) более мощными источниками и таким образом сделать электроэнергию доступной для более широкой области использования.

Скользящее взаимное движение магнита и проводника заменено вращением нити в поле статических магнитов (это упростило изменение поля) и простая нить заменена катушкой (больше витков последовательно давало большее выходное напряжение). Это создало основу для первых генераторов постоянного тока — динамо-машин.

Со временем мощность динамо увеличилась, и обычные магниты пришлось заменить более сильными электромагнитами с большим количеством катушек.

Электрический ток, производимый во вращающихся катушках, проходил через кольцо на валу ротора — своего рода механический переключатель, называемый коммутатором, который, вращая ротор, всегда подключал к выходу катушку с наибольшим наведенным напряжением. Динамо-машина вырабатывала постоянное напряжение.

После того, как было решено, что энергия и дальше будет идти по пути переменного тока, динамо-машины стали заменять генераторами переменного тока.

Генератор переменного тока на электростанции

Вместо коммутатора было всего два полных коллекторных кольца, на которых менялась полярность протекающего тока при каждом витке катушки. В более мощных генераторах роли статора и ротора поменялись местами.

Постоянный ток, подаваемый через кольца на подвижные катушки ротора, создавал вращающееся магнитное поле, а в неподвижных катушках статора генерировалось выходное переменное напряжение.

Еще более высокая мощность потребовала утроения количества катушек статора и получения трехфазного напряжения.

Все генераторы, поставляющие электроэнергию в одну и ту же электрическую сеть, должны соответствовать как минимум трем условиям: одинаковая частота, одно и тоже напряжение и одинаковая последовательность фаз.

Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Генератор переменного тока – устройство, принцип работы, применение, варианты подключения, виды

Электроэнергия используется повсеместно – от домашних электроприборов до сложных промышленных станков. Однако далеко не каждый знает, что за ее выработку отвечают специальные установки, преобразующие механическую энергию в электрический ток. Разберем, что собой представляет генератор переменного тока, из каких частей он состоит и по какому принципу работает, как применяется и по каким правилам подключается, а также на какие виды подразделяется.

Электрогенератор – устройство, принцип работы

Генератор представляет собой установку по выработке электрического тока путем преобразования механической энергии. Независимо от типа, конструкции и энергоресурса, заставляющего привод двигаться, все электрогенераторы работают в соответствии с законом электромагнитной индукции. При этом возможно 2 варианта взаимодействия:

1. Через проводник пропускается вращающееся магнитное поле.
2. В неподвижном магнитном поле вращается проводник.

На практике распространение получил первый вариант. Объясняется это, прежде всего, тем, что ток, получаемый от вращаемого проводника значительно меньше, тока, выдаваемого от неподвижной обмотки. Кроме того, снимать напряжение с неразрывной цепи легче, чем через систему щеток и колец подвижного ротора.

Электромеханический индукционный генератор переменного тока по сути состоит из того же, из чего сделан классический электродвигатель (иногда и внешне выглядит также) – неподвижной части или статора и вращаемого вала или ротора, также называемого якорем. При этом каждая его часть имеет свою функцию:

• Корпус или рама. К ней крепятся статорные обмотки, а также все остальные элементы механизма. Для обеспечения устойчивости и стабильности работы, а также защиты от внешних факторов кожух изготавливается из прочного толстостенного металла.
• Статор. На нем закрепляет обмотка, в которой под действием вращающегося электромагнита возникает электродвижущая сила. Изготавливается из ферромагнитного стального сплава.
• Ротор. По сути, представляет собой сердечник с обмоткой, посредством вала приводимый во вращение внешней механической силой. Назначение – создание вращающегося магнитного поля.
• Возбудитель. Это блок для питания электромагнита ротора постоянным электротоком.

Маломощные генераторы устроены без электромагнита в роторе – на его месте работает постоянный вращающийся магнит. Благодаря этому конструкция упрощается – кольца и щетки, необходимые для подачи напряжения на роторную обмотку, не применяются.

Механизм действия установки сводится к следующему:

1. Вал ротора приводится во вращение внешней механической силой, например, двигателем внутреннего сгорания.
2. При вращении ротора с сердечником, по которому движется постоянный ток, образуется переменное магнитное поле.
3. Проникая в неподвижную статорную обмотку, оно создает электродвижущую силу.
4. В результате на выходах из статора возникает переменный электрический ток.

Применение, варианты подключения

Впервые простейшие генераторы переменного тока стали использовать на электростанциях практически сразу после изобретения, когда устройство статора было несколько модернизировано, а принцип действия был приспособлен для промышленности. Произошло это в конце 19-го столетия. Сегодня электрогенераторы нашли более широкое применение:

• Электростанции общего назначения. ГЭС, ТЭЦ, АЭС и т. д. Выработка электроэнергии предназначается для оснащения объектов разного рода – дома, больницы, цеха и проч.
• Автоматические электрогенераторы. Предназначаются для производства электричества непосредственно на месте применения – например, на стройплощадке, на участке, где еще не подведена линия электропередач. В качестве источника энергии может использоваться различное топливо – бензин, дизель, газ.
• Автомобильные генераторы. Миниатюрные модели для оснащения автомобилей с целью питания местной электроцепи и подзарядки АКБ.
• Тяговые генераторы для обеспечения работы тепловозов.

Есть 3 варианта включения генератора в местную электросхему:

1. Ручное. Самый простой способ эксплуатации, когда пользователь самостоятельно включает и выключает агрегат по мере надобности.
2. Автоматическое. Установка оснащается блоком аварийного запуска. Как только внешняя сеть обесточивается, стартует генератор и начинает питать домашнюю электроцепь.
3. Синхронное. Схема подключения одновременно нескольких работающих станций. Как правило, применяется на крупных объектах. Особенность системы – синхронная работа установок, вплоть до совпадения очередности фаз тока.

Виды и их особенности

Современные модели бытовых электрогенераторов классифицируются по 3-м признакам:

1. Синхронности.
2. Типу используемого топлива.
3. Назначению.

Разберем их особенности более подробно.

Синхронные и асинхронные

В зависимости от того, какой принцип лежит в работе, агрегаты разделяются на 2 вида:

• Синхронные.

Главная специфика генераторов данного типа – прямая зависимость характеристик вырабатываемого тока от скорости вращения якоря. Благодаря этому возникает возможность точно задавать параметры выдаваемого электричества.

Работает по алгоритму:

1. Ротор вращается от любого двигателя, например, турбины.
2. На его обмотку подается постоянный ток.
3. Возникающая при этом ЭДС генерирует переменное магнитное поле.
4. Под его действием в статорной обмотке возникает ток.

Именно такого рода электрогенераторами оснащается большая часть электростанций.

• Асинхронные.

Асинхронный генератор переменного тока – это, по сути, асинхронный электродвигатель, так как оба относятся к однотипным статорно-роторным устройствам. При этом чтобы мотор заработал в качестве электрогенератора, потребуется увеличить скорость вращения якоря до нужного значения.

Недостатки данного типа агрегатов выражаются в необходимости возбуждать обмотку после подключения реактивной нагрузки – ввиду роста стартовой нагрузки и последующего провала мощности. Кроме того, требуется точно подобранный конденсатор. В противном случае ток будет меньше, чем необходим или установка будет перегреваться.

Вид топлива

Для получения вращающего момента применяется ДВС. В нем тепловая энергия от сжигания топлива превращается в механическую энергию, которая в свою очередь передается на вращение вала ротора. Для этой цели применяются следующие виды энергоресурса:

• Газ.

Особенности газовых агрегатов проявляются в следующем:

1. Отсутствие загрязняющих окружающую среду выхлопов.
2. Доступность и дешевизна топлива.
3. Автоматическая подача и контроль уровня газа.

Недостаток выражается в необходимости обустройства отдельного теплого помещения под контролирующую аппаратуру. Более того, к газовому хранилищу предъявляются особые требования безопасности.

• Дизель.

Простейшие дизельные генераторы переменного тока имеют следующий ряд плюсов:

1. Доступность и дешевизна энергоресурса.
2. Пожаро-взрывобезопасность, что особенно актуально в сравнении с газовыми моделями.
3. Длительная работа без остановок и аварий с одного запуска.
4. Возможность оснащения автозапуском.
5. Долговечность.

Проблема дизельных агрегатов выражается в затрудненном запуске на морозе.

• Бензин.

Преимущества бензиновых моделей выражаются в следующем:

1. Малые размеры и вес установок.
2. Доступность эксплуатации, обслуживания и ремонта.
3. Оснащенность автоматической защитой.
4. Минимальный уровень рабочего шума.
5. Возможность использования в помещении.

Видео описание

Видео о том, что такое генератор и как он работает:

Главный минус проявляется в высокой цене топлива.

Назначение

По назначению электрогенераторы разделяются на 3 вида:

• Бытовые. В зависимости от цели использования в быту применяются установки мощностью от 0,6 до 25-27 кВт. Ими снабжаются приборы, работающие в доме, гараже, придомовых постройках и на участке. Такие модели также берутся и на стройплощадку, и на отдых на природе.
• Профессиональные. Мощность установок ограничивается номиналом в 100 кВт. Агрегат может использоваться на объектах как временно, так и постоянно.
• Промышленные. Для питания мощного цехового оборудования применяются агрегаты мощностью более 100 кВт. Характеризуются большими габаритами, весом и сложностью в обслуживании.

Видео описание

Видео-пример изготовления генератора из асинхронного двигателя:

Коротко о главном

Электрогенератор работает по закону электромагнитной индукции – когда при пропускании переменного магнитного поля через неподвижный проводник возникает ток. Состоит агрегат из вращающегося от внешнего привода ротора и неподвижного статора в виде обмотки, с контактов которой в итоге снимается электроток.

Применяются электрогенераторы в различных сферах – и в быту, и в промышленности. Подключаться они могут вручную, автоматически и синхронно. Классифицируются по нескольким признакам:

• Асинхронные и синхронные.
• Газовые, дизельные и бензиновые.
• Бытовые, профессиональные, промышленные.

В каждом случае генератор вырабатывает электричество заданных параметров в соответствии с целью применения.

Объясните принцип работы генераторы. Простыми словами.

Генератор — это тот же электромотор! Когда ты крутишь ротор вырабатывается ток там где контакты питания моторика! Чем быстрее крутишь, тем больше напряжение! У меня от мотрорика от машинки загорался светодиот! Бывают водные генераоры- это когда вода падает на пропеллер и он крутится, вырабатывается электричество! Бывают ветряные генераторы- это когда ветер крутит пропеллер!! ! И бывают паровой генератор- эо когда в закрытом помещении выделяется много пара, газа. А единственный выход, там где пропеллер, так давление фАКТИЧЕСКИ выдавливает (раскручивает ротор и дает ток!