Как устроен генератор переменного тока — назначение и принцип действия
Люди пользуются энергией электрического тока практически во всех сферах своей деятельности. Сейчас нелегко представить жизнь без электричества, которое с помощью специального оборудования преобразуется из механической энергии. Рассмотрим подробнее, как происходит этот процесс, и как устроены современные генераторы.
Превращение механической энергии в электрическую
Любой генератор работает по принципу магнитной индукции. Самый простой генератор переменного тока можно представить, как катушку, которая вращается в магнитном поле. Также есть вариант, при котором катушка остается неподвижной, но магнитное поле только её пересекает. Именно во время этого движения и вырабатывается переменный ток. По такому принципу функционирует огромное количество генераторов во всем мире, объединенных в систему электроснабжения.
Устройство и конструкция генератора переменного тока
Стандартный электрогенератор имеет следующие компоненты:
- Раму, к которой закреплен статор с электромагнитными полюсами. Изготовлена она из металла и должна выполнять защитную функцию всех элементов механизма.
- Статор, к которому крепится обмотка. Изготавливается он из ферромагнитной стали.
- Ротор – подвижный элемент, на сердечнике которого располагается обмотка, образующая электрический ток.
- Узел коммутации, который отводит электричество с ротора. Представляет собой систему подвижных токопроводящих колец.
В зависимости от назначения, генератор имеет определенные особенности конструкции, но существуют два компонента, которыми обладает любое устройство, конвертирующее механическую энергию в электричество:
- Ротор – подвижная цельная деталь из железа;
- Статор – неподвижный элемент, который изготовлен из железных листов. Внутри него есть пазы, внутри которых располагается проволочная обмотка.
Для получения большей магнитной индукции, между этими элементами должно быть небольшое расстояние. По своей конструкции генераторы бывают:
- С подвижным якорем и статическим магнитным полем.
- С неподвижным якорем и вращающимся магнитным полем.
В настоящее время более распространено оборудование с вращающимися магнитными полями, т.к. значительно удобнее снимать электрический ток со статора, чем с ротора. Устройство генератора имеет немало сходств с конструкцией электродвигателя.
Схема генератора переменного тока
Принцип работы электрогенератора: в тот момент, когда половина обмотки находится на одном из полюсов, а другая на противоположном, ток движется по цепи от минимального до максимального значения и обратно.
Классификация и виды агрегатов
Все электрогенераторы можно распределить по критерию работы и по типу топлива, из которого и образуется электроэнергия. Все генераторы делятся на однофазные (выход напряжения 220 Вольт, частота 50 Гц) и трехфазные (380 Вольт с частотой 50 Гц), а также по принципу работы и типу топлива, которое конвертируется в электричество. Ещё генераторы могут использоваться в разных сферах, что определяет их технические характеристики.
По принципу работы
Разделяют асинхронные и синхронные генераторы переменного тока.
Асинхронный
У асинхронных электрогенераторов нет точной зависимости ЭДС от частоты вращения ротора, но здесь работает такой термин, как «скольжение S». Оно определяет эту разницу. Величина скольжения вычисляется, поэтому некоторое влияние элементов генератора в электромеханическом процессе асинхронного двигателя все же есть.
Синхронный
Такой генератор обладает физической зависимостью от вращательного движения ротора к генерируемой частоте электроэнергии. В таком устройстве ротор является электромагнитом, состоящим из сердечников, обмоток и полюсов. Статором являются катушки, которые соединены по принципу звезды, и имеющими общую точку – ноль. Именно в них вырабатывается электрический ток.
Ротор приводит в движение посторонняя сила подвижных элементов (турбин), которые двигаются синхронно. Возбуждение такого генератора переменного тока может быть, как контактным, так и бесконтактным.
По типу топлива двигателя
Удаленность от электросети с появлением генераторов больше не становится препятствием для пользования электроприборами.
Газовый генератор
В качестве топлива здесь используется газ, во время сгорания которого и вырабатывается механическая энергия, которая затем заменяется электрическим током. Преимущества использования газогенератора:
- Безопасность для окружающей среды, ведь газ при сгорании не выделяет вредных элементов, копоти и токсичных продуктов распада;
- Экономически это очень выгодно – сжигать дешевый газ. В сравнении с бензином, это обойдется значительно дешевле;
- Подача топлива осуществляется автоматически. Бензин и дизельное топливо требуется по мере необходимости подливать, а газовый генератор обычно подключают к системе газоснабжения;
- Благодаря автоматике, аппарат приходит в действие самостоятельно, но для этого он должен располагаться в теплом помещении.
Дизельный генератор
Эту категорию составляют преимущественно однофазные агрегаты мощностью 5 кВт. 220 Вольт и частота 50 Гц являются стандартными для бытовой техники, поэтому дизельный аппарат неплохо справляется со стандартной нагрузкой. Как можно догадаться, для его работы требуется дизельное топливо. Почему стоит выбрать именно дизельный электрогенератор:
- Относительная дешевизна топлива;
- Автоматика, позволяющая автоматически запускать генератор при прекращении подачи электрического тока;
- Высокий уровень противопожарной безопасности;
- В течении длительного периода времени агрегат на дизеле способен проработать без сбоев;
- Внушительная долговечность – некоторые модели способны работать в общей сумме 4 года непрерывной эксплуатации.
Бензогенератор
Такие аппараты довольно востребованы как бытовое оборудование. Несмотря на то, что бензин дороже газа и дизеля, такие генераторы имеют немало сильных сторон:
- Малые габариты при высокой мощности;
- Просты в эксплуатации: большинство моделей можно запустить вручную, а более мощные генераторы оснащены стартером. Регулируется напряжение под определенную нагрузку при помощи специального винта;
- В случае перегрузки генератора автоматически срабатывает защита;
- Просты в обслуживании и ремонте;
- Во время работы не издают много шума;
- Можно применять и в помещении, и на улице, но следует защищать от попадания влаги.
Источник
Физика
Генератор переменного тока (Реферат)
Электрический ток вырабатывается в генераторах – устройствах, преобразующих энергию того или иного вида в электрическую энергию. К генераторам относятся гальванические элементы, электростатические машины, термобатареи, солнечные батареи и т. п. Область применения каждого из перечисленных видов генераторов электроэнергии определяется их характеристиками. Так, электростатические машины создают высокую разность потенциалов, но неспособны создать в цепи сколько-нибудь значительную силу тока. Гальванические элементы могут дать большой ток, но продолжительность их действия невелика.
Преобладающую роль в наше время играют электромеханические индукционные генераторы переменного тока. В этих генераторах механическая энергия превращается в электрическую. Их действие основано на явлении электромагнитной индукции. Такие генераторы имеют сравнительно простое устройство и позволяют получать большие токи при достаточно высоком напряжении.
Генератор переменного тока – это машина, преобразующая механическую энергию вращения в электрическую энергию переменного тока. Различают синхронные и асинхронные генераторы переменного тока. Асинхронные генераторы, имевшие ограниченное применение, главным образом в автономных системах электропитания, к 70-м годам 20 века практически полностью заменены синхронными генераторами. Наибольшее применение имеют трехфазные генераторы переменного тока; однофазные генераторы не получили распространения, так как их характеристики и эксплуатационные качества значительно хуже, чем у трехфазных. Мощные генераторы переменного тока устанавливают на электростанциях (турбогенератор, гидрогенератор); генераторы переменного тока относительно небольшой мощности работают в системах автономного энергоснабжения (дизельная электростанция, газотурбинная электростанция) и в преобразователях частоты (двигатель-генераторный агрегат).
Источник
Генератор переменного тока. Устройство и принцип действия
Видео: Принцип работы генератора переменного тока. Как работает генератор простыми словами? Что такое переменный ток?
Генератор переменного тока — это электрическая машина, преобразующая механическую энергию в электрическую энергию переменного тока путем вращения проволочной катушки в магнитном поле. Большинство генераторов переменного тока используют вращающееся магнитное поле.
В последнее время широкое распространение получили генераторы переменного тока, выгодно отличающиеся от генераторов постоянного тока своими габаритными размерами и способностью вырабатывать ток заряда при меньшей частоте вращения коленчатого вала двигателя. Они имеют повышенную надежность.
Генераторы переменного тока используют на гусеничных и колесных машинах (например, на КамАЗ-4310 и КЗКТ-7428). По своей конструкции генераторы переменного тока отличаются от коллекторных генераторов постоянного тока. У них почти вдвое меньше масса и втрое — расход меди. Благодаря более раннему началу отдачи зарядного тока (с момента приведения во вращение вала двигателя на режиме холостого хода) такие генераторы имеют существенно лучшие зарядные свойства по сравнению с генераторами постоянного тока.
Генератор переменного тока представляет собой трехфазную синхронную электромашину с электромагнитным возбуждением и выпрямителем. Генератор работает совместно с регулятором напряжения, обеспечивающим поддержание в электросети машины (с определенным допуском) требуемого постоянного напряжения.
Рис. Схема генератора переменного тока:
1 — ротор; 2 — статор; 3, 9 — шарикоподшипники; 4 — шкив привода; 5 — вентилятор; 6, 10 — крышки; 7 — выпрямитель; 8 — контактные кольца; 11 — щеткодержатель; 12 — обмотка возбуждения; 13 — винты крепления фазовых обмоток статора к выпрямителю; 14 — винт «массы»
Принцип действия генератора переменного тока
Конструкции электрических генераторов переменного тока различны, но принцип их действия одинаков. Рассмотрим один из таких генераторов.
Статор 2 генератора с трехфазной обмоткой выполнен в виде отдельных катушек, в витках которых при вращении ротора 1 индуцируется переменное напряжение. В каждой фазе имеется по шесть катушек, соединенных последовательно. Обмотка возбуждения 12 выполнена в виде катушки и помещена на стальной втулке клювообразных полюсов ротора, обмотки которого питаются постоянным током от аккумуляторной батареи или выпрямителя 7, устанавливаемого на выходе генератора. В крышке 10 имеются вентиляционные окна, через которые циркулирует охлаждающий поток воздуха. Моноблок-радиатор способствует охлаждению выпрямителя, собранного из кремниевых вентилей (диодов) с допустимой температурой нагрева 150 °С.
Интересным компоновочным решением конструкции генератора переменного тока является генераторная установка магистральных автопоездов МАЗ. Она состоит из генератора и интегрального регулятора напряжения (ИРН). Номинальное вырабатываемое напряжение установки 28 В, номинальная мощность 800 Вт. Регулятор вмонтирован в основание щеткодержателя генератора. В крышку генератора также вмонтирован выпрямительный блок БПВ 4-45. Регулятор состоит из резисторов, конденсаторов, стабилитронов, транзисторов и других элементов. Он снабжен переключателем сезонной регулировки («летняя» и «зимняя»). Элементы ИРН смонтированы на малогабаритной керамической плате, закрытой специальной крышкой и залитой герметиком, что делает конструкцию неразборной и неремонтируемой.
Источник
Генератор переменного тока
Устройство и принцип действия генератора переменного тока. Основные составные части синхронной машины. Области применения применение синхронных генераторов. Принцип действия генератора трехфазного тока и их соединение с приемниками электрической энергии.
| Рубрика | Физика и энергетика |
| Вид | реферат |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 12.03.2015 |
| Размер файла | 99,9 K |
- посмотреть текст работы
- скачать работу можно здесь
- полная информация о работе
- весь список подобных работ
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Ижевский Политехнический колледж
По электрооборудованию
ТЕМА: Генератор переменного тока
группы ТОРА 134Д
1. УСТРОЙСТВО И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ГЕНЕРАТОРА ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
2. СИНХРОННАЯ МАШИНА
3. СИНХРОННЫЙ ГЕНЕРАТОР
4. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ГЕНЕРАТОРА ТРЕХФАЗНОГО ТОКА
Электрический ток вырабатывается в генераторах — устройствах, преоб- разующих энергию того или иного вида в электрическую энергию. К генераторам относятся гальванические элементы, электростатические машины, термобатареи, солнечные батареи и т. п. Область применения каждого из перечисленных видов генераторов электроэнергии определяется их характеристиками. Так, электростатические машины создают высокую разность потенциалов, но неспособны создать в цепи сколько-нибудь значительную силу тока. Гальванические элементы могут дать большой ток, но продолжительность их действия невелика. Преобладающую роль в наше время играют электромеханические индукционные генераторы переменного тока. В этих генераторах механическая энергия превращается в электрическую. Их действие основано на явлении электромагнитной индукции. Такие генераторы имеют сравнительно простое устройство и позволяют получать большие токи при достаточно высоком напряжении. Генератор переменного тока — это машина, преобразующая механическую энергию вращения в электрическую энергию переменного тока. Различают синхронные и асинхронные генераторы переменного тока. Асинхронные ге- нераторы, имевшие ограниченное применение, главным образом в автономных системах электропитания, к 70-м годам 20 века практически полностью заменены синхронными генераторами. Наибольшее применение имеют трехфазные генераторы переменного тока; однофазные генераторы не получили распространения, так как их характеристики и эксплуатационные качества значительно хуже, чем у трехфазных. Мощные генераторы переменного тока устанавливают на электростанциях (турбогенератор, гидрогенератор); генераторы переменного тока относительно небольшой мощности работают в системах автономного энергоснабжения (дизельная электростанция, газотурбинная электростанция) и в преобразователях частоты (двигатель-генераторный агрегат).
1. УСТРОЙСТВО И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ГЕНЕРАТОРА ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
В настоящее время имеется много типов индукционных генераторов. Но все они состоят из одних и тех же основных частей. Это, во-первых, электро- магнит или постоянный магнит, создающий магнитное поле, и, во-вторых, обмотка, в которой индуцируется переменная э. д. с.. Так как э. д. с., наводимые в последовательно соединенных витках, складываются, то амплитуда э. д. с. индукции в обмотке пропорциональна числу витков в ней. Она пропорциональна также амплитуде переменного магнитного потока через каждый виток: Ф=B?S Для получения большого магнитного потока в генераторах применяют специальную магнитную систему, состоящую из двух сердечников, сделанных из электротехнической стали. Обмотки, создающие магнитное поле, размещены в пазах одного из сердечников, а обмотки, в которых индуцируется э. д. с., — в пазах другого. Один из сердечников (обычно внутренний) вместе со своей об- моткой вращается вокруг горизонтальной или вертикальной оси. Поэтому он называется ротором. Неподвижный сердечник с его обмоткой называют статором. Зазор между сердечниками статора и ротора делают как можно меньшим. Этим обеспечивается наибольшее значение потока магнитной индукции. В больших промышленных генераторах вращается электромагнит, который яв- ляется ротором, в то время как обмотки, в которых наводится э. д. с., уложены в пазах статора и остаются неподвижными. Дело в том, что подводить ток к ротору или отводить его из обмотки ротора во внешнюю цепь приходиться при помощи скользящих контактов. Для этого ротор снабжается контактными кольцами, присоединенными к концам его обмотки. Неподвижные пластины — щетки — прижаты к кольцам и осуществляют связь обмотки ротора с внешней цепью. Сила тока в обмотках электромагнита, создающего магнитное поле, значительно меньше силы тока, отдаваемого генератором во внешнюю цепь.
Поэтому генерируемый ток удобнее снимать с неподвижных обмоток, а через скользящие контакты подводить сравнительно слабый ток к вращающемуся электромагниту. Этот ток вырабатывается отдельным генератором постоянного тока (возбудителем), расположенным на том же валу. В маломощных генераторах магнитное поле создается вращающимся постоянным магнитом. В таком случае кольца и щетки вообще не нужны. Появление э. д. с. в неподвижных об- мотках статора объясняется возникновением в них вихревого электрического поля, порожденного изменением магнитного потока при вращении ротора. Возбудитель электрических машин — это генератор постоянного или переменного тока для питания индуктора электрической машины, создающего в ней рабочий магнитный поток. В основном получили развитие возбудитель электрических машин в синхронных машинах, поскольку постоянный ток, не- обходимый для питания индуктора, самой машиной не вырабатывается. В качестве возбудителя обычно применяется коллекторный генератор постоянного тока с шунтовым или независимым возбуждением от подвозбудителя. В связи с ростом мощностей и повышением быстродействия системы управления син- хронных машин, а также в специальных машинах начиная с 50-х годов 20 века применяются возбудители электрических машин, в которых переменное напряжение от основной машины (непосредственно или через трансформатор — самовозбуждение) или от вспомогательной синхронной машины (независимое возбуждение) подаётся на ионный или полупроводниковый выпрямитель, пи- тающий индуктор основной машины. Регулирование осуществляется в силовой цепи возбуждения или воздействием на цепь возбуждения возбудителя. В другом типе возбудителя электрических машин переменное напряжение от вспомогательного генератора, якорь которого расположен на общем валу с индикатором синхронной машины, подаётся на выпрямитель, смонтированный на том же валу. Выпрямленное напряжение поступает непосредственно в обмотку индуктора. Основные достоинства таких возбудителей — отсутствие скользящих контактов, повышенная надёжность и высокое быстродействие.
Современный генератор электрического тока — это внушительное соору- жение из медных проводов, изоляционных материалов и стальных конструк- ций. При размерах в несколько метров важнейшие детали генераторов изготовляются с точностью до миллиметра. Нигде в природе нет такого сочетания движущихся частей, которые могли бы порождать электрическую энергию столь же непрерывно и экономично.
2. СИНХРОННАЯ МАШИНА
Синхронная машина переменного тока — это машина (обычно трёхфазная), частота вращения которой n жестко связана с частотой сети f соотношением p f n = где р — число пар полюсов машины. В зависимости от режима работы синхронной машины различают синхронные генераторы (генераторы активной мощности), синхронные электродвигатели (двигатели с постоянной частотой вращения), а также компенсаторы синхронные (генераторы реактивной мощности). Любая синхронная машина может работать во всех трёх режимах, но практически в конструкциях современных синхронных генераторов, двигателей и компенсаторов имеются определённые различия, обусловленные особенностями каждого из режимов. Основные составные части синхронной машины — статор, несущий рабочую обмотку переменного тока, и явно- или неявнополюсный ротор, на котором размещается обмотка возбуждения, всегда питаемая постоянным током (через контактные кольца). Иногда в синхронной машине небольшой мощности (до 20 квт) обмотку переменного тока размещают на роторе, а обмотку возбуждения — на статоре. Конструкцию таких машин называют обращенной. На статоре 2 (рис. 2.1) синхронной машины расположена трехфазная об- мотка 1, на роторе 4 — электромагниты (полюса), питаемые постоянным током через контактные кольца 3 и щетки. Обмотка 5 электромагнитов, создающая магнитный поток возбуждения машины, называется обмоткой возбуждения. Статор имеет три (в двухполюсной машине), шесть (в четырехполюсной) или большее количество катушек, сдвинутых одна относительно другой на со- ответствующие углы.
Рис. 2.1. Синхронная машина
3. СИНХРОННЫЙ ГЕНЕРАТОР
генератор переменный ток синхронный
Синхронный генератор — синхронная машина, работающая в генератор- ном режиме. Синхронные генераторы используют обычно в качестве источников переменного тока постоянной частоты и устанавливают на электростанциях, в электрических установках, на транспорте и т. д. Применение синхронных генераторов началось в 70-х годах 19 века в связи с изобретением свечи П. Н. Яблочкова. Наибольшее распространение имеют синхронные генераторы. для получения тока промышленной частоты, роторы которых приводятся во вращение паровыми (турбогенератор) или водяными (гидрогенератор) турбинами. Синхронные генераторы строят также с приводом от газовых турбин, двигателей внутреннего сгорания, ветро или электродвигателей. Обмотки ротора синхронного генератора питаются постоянным током от отдельного генератора — возбудителя, размещаемого обычно на общем валу с синхронным генератором и приводимого совместно с ним во вращение, или от выпрямительного устройства. При вращении ротора его магнитное поле наводит в трёхфазной обмотке статора переменную э. д. с., частота которой f = p? n , где р и n — соответственно число пар полюсов и частота вращения ротора. Быстроходные синхронные генераторы (турбогенераторы) имеют малое число пар полюсов (р = 1, 2), а в тихоходных (гидрогенераторах) р достигает нескольких десятков. Величина э. д. с. регулируется изменением тока в обмотке ротора. В синхронных генераторах малой мощности иногда применяют конст- рукции, в которых обмотка переменного тока расположена на роторе, а обмотка возбуждения — на статоре. Особый класс составляют синхронные генераторы с увеличенным числом пар полюсов — для получения тока повышенной частоты (генераторы повышенной частоты).
4. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ГЕНЕРАТОРА ТРЕХФАЗНОГО ТОКА
Трехфазная система переменного тока получила широкое распространение во всем мире, так как она обеспечивает наиболее выгодную передачу энергии и позволяет использовать надежные в работе и простые по устройству асинхронные электродвигатели. В настоящее время на всех электрических станциях России электрическая энергия вырабатывается генераторами трехфазного переменного тока. Простейший генератор трехфазного тока (рис. 1) отличается от генератора одно- фазного тока тем, что на статоре его расположены три отдельные обмотки (фазные обмотки), оси которых сдвинуты одна относительно другой на угол 120°. Каждую из обмоток трехфазного генератора вместе с присоединенной к ней внешней цепью принято называть фазой. Согласно ГОСТу фазы обозначаются буквами А, В и С.
Ротор генератора представляет собой постоянный магнит или электро- магнит, который вращается каким-либо двигателем. При вращении ротора в трех фазных обмотках статора индуктируются синусоидальные э. д. с. еА , еВ и еС одной и той же частоты и имеющие одинаковые амплитуды. Но так как магнитное поле вращающегося ротора пересекает эти обмотки не одновременно, то э. д. с. еА , еВ и еС будут сдвинуты по фазе по отношению друг к другу на 1 /3 пе- риода (рис. 2, а), чему соответствует угол 120°. Следовательно, мгновенные значения э. д. с., индуктируемые в трех обмотках генератора: tsinEe mA щ= ( )o mB tsinEe ?щ= 120 ( )o tsinEe ?щ= 240 mC Такая система трехфазных э. д. с. называется симметричной. Особенно- стью ее является то, что сумма э. д. с. всех трех фаз в любой момент времени равна нулю: [ ( 120 ) ( )] =?щ+?щ+щ=++ 0240 o o tsintsinEeee tsin mCBB Векторное изображение системы трехфазных э. д. с. показано на рис. 2, б. Любая из фазных обмоток генератора трехфазного тока является само- стоятельным источником электрической энергии и к ней может быть подключен свой приемник. Таким образом, получается несвязанная трехфазная система, имеющая для передачи электрической энергии шесть проводов. На практике такие системы не применяют. Обычно фазные обмотки трехфазного генератора и приемники электрической энергии соединяют по схеме «звезда» или «треугольник».
Рис. 4.1. Асинхронный генератор
Асинхронный генератор — асинхронная электрическая машина, работающая в генераторном режиме. Ротор в асинхронном генераторе вращается приводным двигателем в том же направлении, что и магнитное поле, но с большей скоростью. При этом скольжение ротора становится отрицательным, на валу машины возникает тормозящий момент и она работает генератором, отдавая энергию в сеть. А. г. потребляет намагничивающий ток значительной силы и требует наличия в сети генераторов реактивной мощности в виде синхронных машин. Несмотря на простоту обслуживания, асинхронные генераторы применяют сравнительно редко, в основном как вспомогательные источники небольшой мощности и как тормозные устройства.
1. Вольдек А. И., Электрические машины, 2 изд., Л., 1974.
2. Зорохович А. В., Калинин В. К. Электротехника с основами промышленной электроники, М., 1975.
3. Костенко М. П.. Пиотровский Л. М., Электрические машины, 3 изд., ч. 2, Л., 1973.
4. Петров Г. Н., Электрические машины, ч. 2, М.-Л., 1963.
Источник