Содержание:

Когда люди присмотрелись к возможностям электричества, сразу начали придумывать, как бы серьезно поставить на службу эту интересную энергию. И появилась целая гамма приборов, устройств, установок, способных создавать на двух металлических концах электрическое напряжение. К концам сразу же прикрутили два болтика и начали подвешивать к ним все, что вызывало теперь массу интересных эффектов. Устройства эти в целом назвали источниками электроэнергии, или генераторами. А то, что к ним подключалось - электрической цепью. А по мере роста цепей и занятия ими все более значимого и постоянного места в человеческой жизни, их стали называть уже электрическими сетями.

Именно генераторы создали всю нашу электроиндустрию. Чем принцип работы генератора переменного тока отличается от принципов работы первых источников? Некой надежностью и постоянством, происходящими от надежности и всеобщей доступности той энергии, из которой они вырабатывают электричество. Это механическое движение. А у нас мир весь полон движения. И вполне естественно было заставить роторы крутиться, а движение для этого брать из чего-то еще. Из тепла. Сгорает топливо, ротор крутится - генератор тока работает.

Первоначальный источник же был продуктом первых экспериментов. Химия (аккумуляторы), электризация (электрофорные машины) - все это как-то слабо. Потому что непропорционально дорого, сравнительно с количеством энергии, которое потребовали сети. Сначала осветительные, а потом почти сразу трамвайные. Вот трамвай и толкнул генераторы тока вперед в развитии.

Трамвайная линия - это то, где электроэнергия сама производит движение. Плюсом такого подхода оказалась очень удобная подача такого «топлива» на большие довольно расстояния. И очень органично вписалась в затраты по изготовлению самой трамвайной линии. Когда кладут железные пути, что уж там не проложить вдоль них еще и проволоку, подводящую ток к трамваям, которые могут теперь находиться на линии в любом месте и с одинаковой легкостью получать эту энергию.

Преобразование оказалось симметричным: устройство генератора переменного тока практически такое же, как и у двигателя. Только у генератора назначение - вырабатывать электричество, вращая ротор, а у другого электроэнергия крутит почти такой же ротор, а уже он - колеса трамвая.

О такой передаче энергии механики прошлых веков только мечтали. Ведь когда-то с помощью водяного колеса вращали валы обрабатывающих станков в целых цехах. А энергию механическую передавали тоже механически: с помощью валов, шкивов, ремней, шестеренок… Тут же всего-то - два проводочка. А в случае с трамваями вообще один. Второй - сами рельсы.

Ток переменный и ток постоянный

Сначала открыли электрический ток, когда увидели, что он, себя проявляя, действует. Потом только обнаружили, что ток бывает постоянный, но может быть и переменным.

Собственно говоря, генерация тока всегда и происходит от изменения магнитного поля, проходящего через обмотку. И напряжение, которое при этом возникает, просто обязано быть переменным. Потому что технически просто немыслимо заставить магнитное поле изменяться строго равномерно. Источники тока, полученные другим путем, основывались на стационарных процессах (или квазистационарных - учитывая разряд аккумуляторов), поэтому они и давали исключительно постоянный ток. Когда изобрели телеграф - наверное, первое электрическое изобретение, толкнувшее к созданию масштабных электрических линий, - этот самый ток в них был постоянным, хотя и прерывистым. Постоянный ток не очень высокого напряжения дает в передаче на дальние расстояния огромные потери от сопротивления в проводниках. С этим столкнулся уже Самюэль Морзе, когда протягивал свою первую телеграфную линию в 1844 году от Балтимора до Вашингтона. Они с другом сумели с этим справиться, используя «активное усиление» сигнала с помощью реле.

Трамвайные линии, как известно, поначалу унаследовали эту традицию - питаться постоянным электрическим током, хотя конструкция из магнитов и вращающихся в их поле проводников, будучи использована в качестве генератора, легче и проще производит именно переменный ток.

Назначение генератора - выработка напряжения, постоянного и переменного, отсюда его устройство и принцип работы.

А типы вырабатываемого напряжения и определили строение и принцип действия генераторов.

Поэтому и различаются генераторы типами - генератор постоянного тока и генератор переменного тока.

В генераторах постоянного тока этого постоянства достигают конструкционными ухищрениями: путем создания определенной конфигурации магнитного поля, путем увеличения количества якорных рамок в роторе, в которых наводится разность потенциалов и снятие его с них с помощью многоконтактного коллектора, путем организации особых режимов тока возбуждения на специальных обмотках возбуждения, установленных на магнитах статора, и т.д.

Но, оказалось, проще добиться того же эффекта другим путем: индукционный генератор переменного тока напряжение вырабатывает, а потом оно «выпрямляется» обычной схемой диодного выпрямителя. Что и делает, например, генератор автомобиля.

Принцип работы устройства

Генератор переменного тока - это механико-индукционная машина, создающая переменное электрическое напряжение на своих выходных контактах в ответ на вращение своей подвижной части посторонней силой.

Подвижная часть генератора (или альтернатора) называется ротором, неподвижная - статором.

Две части генератора производят следующее: одна из них создает магнитное поле, а вторая часть содержит проводники, расположенные так, что при изменении относительно них этого магнитного поля (назовем его генерирующим), на их противоположных концах возникает разность потенциалов. Она снимается и переправляется с этих проводников на выходные контакты.

Виды генераторов переменного тока

Отсюда возможны два варианта конструкций генератора переменного тока, в которых:

• генерирующее магнитное поле создается в статоре и неподвижно;
• генерирующее магнитное поле создается в роторе и вращается вместе с ним.

В любом случае напряжение, возникающее в результате генерации, нужно снимать не с той части генератора, где создается магнитное поле, а с противоположной.

Первоначально - начиная с опытов по вращению рамки из проводника в неподвижном магнитном поле - ротор и служил для наведения в его обмотках (или рамках) электрической индукции, порождавшей движение электронов к разным концам этих проводников, отчего и возникало напряжение.

Видимо, это связано с тем, что магниты выбирали побольше и потяжелее, дабы создавать сильное поле с большим градиентом, а рамочки с током были совсем легкие. Но теперь и ротор, и статор - это точно пригнанные друг к другу массивные части. Напряжение с вращающегося ротора (или якоря) необходимо снять с помощью специального механизма и отправить на неподвижные выходные контакты. Такой механизм называется коллектором (от лат. «сборщик»), в нем неподвижные подпружиненные щетки, «протянутые» от статора, плотно прижимаются к вращающимся вместе с ротором контактам.

Быть может, конструктивно это самая узкая часть электродвигателей и генераторов. Она требует специального исполнения, при вращении детали ее стираются, от плохих контактов - при стертых пластинах контактов, или промежутков между ними, или стертых щетках (которые изготовляются обычно из графита - а от него токопроводящая пыль) - начинается искрение при вращении, и это никому не нравится.

Поэтому самым удобным вариантом генераторов переменного тока является второй. Это когда магнитное поле вращается ротором, а напряжение возникает в неподвижном статоре. И его не надо снимать никаким замысловатым образом.

Однофазные и многофазные

Принцип работы

Магнитное поле можно гонять (изменять, вращать) над одной системой проводников (имеющих два полюса) или над несколькими.

Из рисунка понятно, как устроен простейший генератор переменного тока. Из чего состоит генератор? Основные части - ротор и статор. Мы видим, что ротор с установленным в нем магнитом N–S вращается. При этом полюса магнита, то N, то S, попеременно совсем близко от катушек с обмотками. Обмотки последовательно соединяются друг с другом и потом с выходными контактами. Направление и поток магнитного поля, проходящий через обмотки, при вращении изменяется. От чего и возникает переменное напряжение на выходных контактах с частотой f вращения ротора. Происходит генерирование напряжения, а при подключении к контактам нагрузки возникает переменный ток частоты f.

Схема эта - наипростейшая. Она только чуть сложнее, чем те рамочки, которые крутили когда-то в поле двух магнитов. Только теперь, наоборот, магнит, установленный на роторе, вращается, а неподвижные катушки дают напряжение.

Напряжение получается синусоидальным, достигает максимума и минимума, когда около катушек проходят полюса магнита - около них поток магнитного поля наиболее плотен, и поэтому происходит самое быстрое изменение поля. И на контактах в это время будет наведено максимальное по величине напряжение U, или - U . Когда же ротор повернется так, что магнит будет проходить горизонтальное положение, выходное напряжение будет пересекать нулевое значение.

Трехфазный генератор переменного тока

Однако мы видим, что в этой простой электрической машине еще очень много свободного места. Что ж, можно по периметру статора поставить не одну пару, а несколько пар катушек. Но придется тогда от каждой пары катушек отводить отдельные контакты для напряжений, чтобы напряжения разных пар не гасили друг друга. Получится как бы несколько генераторов в одном, каждый из них будет давать синусоидальное напряжение, но так как катушки повернуты относительно друг друга, и синусоиды будут сдвинуты ровно на такой угол, на какой сдвинуты пары катушек относительно нашей первоначальной.

Катушки распределены по периметру статора равномерно, то есть друг от друга отстоят на угол 120⁰. Точно такой сдвиг фаз получается и у напряжений. Напряжение U1 с нулевым сдвигом (это наша первая пара катушек), напряжение U2 - 120⁰ и напряжение U3 - 240⁰.

Такое напряжение называется трехфазным. Его возможно передавать с помощью единой системы проводов - три провода по одной на каждую фазу, а ноль всех трех объединяется в один. Это можно сделать двумя способами: соединив обмотки катушек по типу «треугольник» или «звезда».

Можно придумать и другие схемы генерации переменного напряжения, например, установив не три пары катушек, а только две. Тогда разница фаз между ними получится в 90⁰.

Применение нашла именно трехфазная система генерации.

При потреблении трехфазного напряжения часто выделяют отдельные фазы и раздают их разным потребителям. Когда потребителей много, то случайным образом «раздавать» фазы можно - в среднем обычно получается одинаковая нагрузка на все фазы. Но это должно отслеживаться. Потому что если потребление по разным фазам сильно отличается или оно очень неравномерно себя ведет во времени, наступает такое явление, как «перекос фаз». Напряжение по разным фазам начинает отличаться. А это ведет к очень многим плохим последствиям: перерасходу электроэнергии, выходу из строя трансформаторов, электроприборов, двигателей. На электростанции - к падению КПД генераторов (они начнут как бы «хромать») и даже выходу из строя генераторов электроэнергии. Чтобы минимизировать такого рода ущерб, нулевой провод обычно хорошо заземляют, но и следить должны энергетики за таким неприятным явлением.

Возбуждение генератора

Реальный генератор отличается от тут нарисованного еще и тем, что в качестве источника магнитного поля использовать постоянные магниты - занятие бесполезное. Магнитное поле в промышленной установке должно быть строго определенной и строго выдерживаемой напряженности. А как добиться строго одинаковой напряженности магнитов на разных фазах в трехфазном генераторе переменного тока? Иначе и напряжения на них будут разные, и будут фазы «вечно хромающими». Поэтому на роторе вместо магнитов используют электромагниты с сердечниками. К ним подводится постоянное напряжение, и они во время работы генератора возбуждают электромагнитное поле строго заданной интенсивности. Постоянное напряжение подается от независимого источника - это может быть аккумулятор или другой источник постоянного тока. Тут опять проблема: или взгромоздить на ротор еще и аккумулятор для питания катушек возбуждения, или снова заморачиваться с коллекторами для передачи напряжения возбуждения. Решение можно назвать соломоновым: сделать на одном роторе как бы сразу два генератора, только второй питает током обмотки возбуждения первого. А в статоре, соответственно, добавляются еще электромагниты для возбуждения магнитного поля в этом втором генераторе, ток от которого используется только в самом роторе, следовательно, снаружи никому и не нужен. И не надо городить никаких коллекторов для его съема. Такая конструкция стала называться «бесщеточный синхронный генератор переменного тока».

Синхронным он называется потому, что оба источника - и генератор тока возбуждения, и генератор-устройство, дающее конечный результат - напряжение на выходе, работают одновременно на одном и том же роторе.

С помощью тока возбуждения можно влиять на напряжение, которое дает генератор-устройство: при увеличении тока возбуждения соответственно усиливается и магнитное поле, возбуждаемое ротором, отчего главные обмотки генератора и будут вырабатывать переменное напряжение более высокой амплитуды.

Этим пользуются для регулировки напряжения, так как скорость вращения ротора менять нельзя, иначе изменится и частота, а она задана жестко техническими характеристиками всей нашей сети электроэнергии.

Наша энергосистема вырабатывает напряжение частотой строго 50 Гц, ее и производят генераторы электростанций - все они вращают свои роторы со скоростью, кратной 50 Гц. А конструкция ротора выводит напряжение, изменяющееся 50 раз в секунду.

Однако во многих случаях, где высокая точность частоты вырабатываемой энергии не критична, используют асинхронные генераторы. Они проще и дешевле синхронных, но дают напряжение с большим разбросом параметров. Это неважно там, где оно последующими схемами все равно будет преобразовано в постоянное.

Тот, кто незнаком с генераторами, объясняем, что это агрегат, в котором из одного вида энергии получается другая. А, точнее, из механической электрическая. При этом эти приборы могут генерировать как ток постоянный, так и ток переменный. До середины двадцатого века использовались в основном генераторы постоянного тока. Это были аппараты больших размеров, которые работали не очень хорошо. Появление на рынке диодов полупроводникового типа позволило изобрести трехфазный генератор переменного тока. Именно диоды позволяют выпрямить переменный ток.

Принцип работы

В основе работы трехфазного генератора лежит закон Фарадея – закон электромагнитной индукции, который гласит, что электродвижущая сила будет обязательно индуцироваться во вращающейся прямоугольной рамке, которая установлена между двумя магнитами. При этом делается оговорка, что магниты будут создавать вращающееся магнитное поле. Направление вращения и рамки, и магнитного поля обязательно совпадают. Но электродвижущая сила будет возникать и в том случае, если рамка останется неподвижной, а внутри нее вращать магнит.

Чтобы разобраться, как работает генератор, обратите внимание на рисунок ниже. Это простейшая схема его работы.

Здесь хорошо видны магниты с разными полюсами, рамка, вал и токосъемные кольца, с помощью которых производится отвод тока.

Конечно, это просто схема, хотя лабораторные генераторы так и создавались. На практике же обычные магниты заменяют электромагнитами. Последние – это медная обмотка или катушки индуктивности. Когда по ним проходит электрический ток, образуется необходимое магнитное поле. Такие генераторы установлены во всех автомобилях (это для примера), чтобы их запустить, под капотом устанавливается аккумулятор, то есть, источник постоянного тока. Некоторые модели генераторов запускаются по принципу самовозбуждения или при помощи маломощных генераторов.

Разновидности

В основе классификации заложен принцип действия, поэтому эти агрегаты переменного тока делятся на два класса:

• Асинхронные. Это самые надежные в работе, небольших размеров и веса, простых по конструкции генераторы. Они прекрасно справляются с перегрузками и коротким замыканием. Правда, необходимо учитывать, что данный вид сразу же выходит из строя, если на него будет действовать большая перегрузка. К примеру, пусковой ток электрооборудования. Поэтому стоит учитывать этот факт, для чего придется приобретать генератор мощностью большей раза в три или четыре, чем потребляемая мощность оборудования при запуске.
• Синхронные. А вот этот вид легко справляется с краткосрочными нагрузками. Такой генератор может выдержать перегруз раз в пять или шесть. Правда, высокой надежностью он не отличается по сравнению с асинхронным вариантов, к тому же он является обладателем больших размеров и массы.

Конечно, в данном разделении лежит принцип работы агрегата. Но есть и другие критерии.

• Однофазный.
• Двухфазный.
• Трехфазный.
• Многофазный (обычно шесть фаз).
• Сварочный.
• Линейный.
• Индукционный.
• Стационарный.
• Переносной.

Устройство трехфазного генератора

В принципе, устройство трехфазного генератора переменного тока достаточно простое. Это корпус с двумя крышками с противоположных сторон. В каждой из них проделаны отверстия для вентиляции. В крышках устроены ниши под подшипники, в которых вращается вал. На передний конец вала устанавливается передаточный элемент. К примеру, на автомобильном генераторе установлен шкив, с помощью которого вращение передается от двигателя внутреннего сгорания на генератор. На противоположном конце вала производится передача электрического тока, ведь вал в этом случае выступает как электромагнит с одной обмоткой.

Передача производится через графитовые щетки и токосъемные кольца (они из меди). Щетки соединены с электрорегулятором (по сути, это обычное реле), который регулирует подачу напряжение 12 вольт с требуемыми отклонениями. Самое важное, что реле не повышает и не понижает напряжение в зависимости от скорости вращения самого вала.

Так вот если говорить о трехфазных генераторах переменного тока, то это три вот таких однофазных. Только трехфазный агрегат имеет обмотку не на роторе (валу), а в статоре. И таких обмоток три, которые сдвинуты относительно друг друга по фазе. Вал, как и в первой конструкции, выполняет функции электромагнита, который питается через контакты скользящего типа постоянным током.

Вращение вала создает в обмотках магнитное поле. Электродвижущая сила начинает индуцироваться, когда происходит пересечение магнитного поля обмоток с ротором. А так как обмотки располагаются на статоре симметрично, то есть, через каждые 120º, то соответственно и электродвижущая сила будет иметь одинаковое амплитудное значение.

На практике используется несколько видов генераторов. Но каждый из них включает в себя одни и те же составные элементы. К ним относятся магнит, который создает соответствующее поле, и специальная проволочная обмотка, где создается электродвижущая сила (ЭДС). В простейшей модели генератора роль обмотки выполняет рамка, способная вращаться вокруг горизонтальной или вертикальной оси. Амплитуда ЭДС пропорциональна количеству витков, имеющихся на обмотке, и размаху колебаний магнитного потока.

Чтобы получить значительный по силе магнитный поток, в генераторах используют особую систему. Она состоит из пары стальных сердечников. Обмотки, которые создают переменное магнитное поле, помещают в пазы первого из них. Те витки, которые индуцируют ЭДС, укладывают в пазы второго сердечника.

Внутренний сердечник называют ротором. Он вращается вокруг оси вместе с имеющейся на нем обмоткой. Тот сердечник, который остается без движения, выполняет функцию статора. Чтобы сделать поток магнитной индукции наиболее сильным, а потери энергии минимальными, расстояние между статором и ротором стараются сделать как можно меньше.

По какому принципу работает генератор

Электродвижущая сила возникает в обмотках статора сразу после появления электрического поля, для которого характерны вихревые образования. Эти процессы порождаются изменением магнитного потока, которое наблюдается при ускоренном вращении ротора.

Ток от ротора подается в электрическую цепь при помощи контактов, имеющих вид элементов скольжения. Чтобы сделать это было легче, к концам обмотки присоединяют кольца, называемые контактными. К кольцам прижимаются неподвижные щетки, через которые и осуществляется связь между электрической цепью и обмоткой движущегося ротора.

В витках обмотки магнита, где создается магнитное поле, ток имеет сравнительно небольшую силу, если сравнивать его с тем током, который генератор отдает внешней цепи. По этой причине уже конструкторы первых генераторов решили отводить ток от обмоток, расположенных статично, а слабый ток к вращающемуся магниту подавать через контакты, обеспечивающие скольжение. В генераторах малой мощности поле создает магнит постоянного типа, который способен вращаться. Такая конструкция позволяет упростить всю систему и вовсе не использовать кольца и щетки.

Современный промышленный генератор электрического тока представляет собой массивное и громоздкое сооружение, которое состоит из металлических конструкций, изоляторов и медных жил. Размеры устройства могут составлять несколько метров. Но даже для такого солидного сооружения очень важно выдержать точные габариты деталей и зазоры между подвижными частями электрической машины.

Индукционный генератор переменного тока. В индукционных генераторах переменного тока механическая энергия превращается в электрическую. Индукционный генератор состоит из двух частей: подвижной, которая называется ротором, и неподвижной, которая называется статором. Действие генератора основано на явлении электромагнитной индукции. Индукционные генераторы имеют сравнительно простое устройство и позволяют получать большие токи при достаточно высоком напряжении. В настоящее время имеется много типов индукционных генераторов, но все они состоят из одних и тех же основных частей. Это, во-первых, электромагнит или постоянный магнит, создающий магнитное поле, и, во-вторых, обмотка, состоящая из последовательно соединенных витков, в которых индуцируется переменная электродвижущая сила. Так как электродвижущие силы, наводимые в последовательно соединенных витках, складываются, то амплитуда электродвижущей силы индукции в обмотке пропорциональна числу витков в ней.

Рис. 6.9

Число силовых линий, пронизывающих каждый виток, непрерывно меняется от максимального значения, когда он расположен поперек поля, до нуля, когда силовые линии скользят вдоль витка. В результате при вращении витка между полюсами магнита через каждые пол-оборота направление тока меняется на противоположное, и в витке появляется переменный ток. Во внешнюю цепь ток отводится при помощи скользящих контактов. Для этого на оси обмотки укреплены контактные кольца, присоединенные к концам обмотки. Неподвижные пластины – щетки – прижаты к кольцам и осуществляют связь обмотки с внешней цепью (рис. 6.9).

Пусть виток провода вpащается в одноpодном магнитном поле с постоянной угловой скоpостью . Магнитный поток, пронизывающий виток, меняется по закону , здесь S – площадь витка. Согласно закону Фаpадея в обмотке наводится электродвижущая сила индукции, которая опpеделяется следующим обpазом:

где N – число витков в обмотке. Таким образом, электродвижущая сила индукции в обмотке изменяется по синусоидальному закону и пpопоpциональна числу витков в обмотке и частоте вpащения.

В опыте с вращающейся обмоткой статором является магнит и контакты, между которыми помещена обмотка. В больших промышленных генераторах вращается электромагнит, который является ротором, в то время как обмотки, в которых наводится электродвижущая сила, уложены в пазах статора и остаются неподвижными. На тепловых электростанциях для вращения ротора используются паровые турбины. Турбины, в свою очередь, приводятся во вращение струями водяного пара, полученного в огромных паровых котлах за счет сжигания угля или газа (теплоэлектростанции) или распада вещества (атомные электростанции). На гидроэлектростанциях для вращения ротора используются водяные турбины, которые вращаются водой, падающей с большой высоты.

Электрогенераторы играют важнейшую роль в развитии нашей технологической цивилизации, поскольку позволяют получать энергию в одном месте, а использовать ее в другом. Паровая машина, например, может преобразовывать энергию сгорания угля в полезную работу, но использовать эту энергию можно только там, где установлены угольная топка и паровой котел. Электростанция же может размещаться весьма далеко от потребителей электроэнергии – и, тем не менее, снабжать ею заводы, дома и т.п.

Рассказывают (скорее всего, это всего лишь красивая сказка), будто Фарадей демонстрировал прототип электрогенератора Джону Пилу, канцлеру казначейства Великобритании, и тот спросил ученого: «Хорошо, мистер Фарадей, все это очень интересно, а какой от всего этого толк?».

«Какой толк? – якобы удивился Фарадей. – Да вы знаете, сэр, сколько налогов эта штука со временем будет приносить в казну?!»

Трансформатор.

Трансформатор. Электродвижущая сила мощных генераторов электростанций велика, между тем практическое использование электроэнергии требует чаще всего не очень высоких напряжений, а передача энергии, наоборот, очень высоких.

Для уменьшения потерь на нагревание проводов необходимо уменьшить силу тока в линии передачи, и, следовательно, для сохранения мощности увеличить напряжение. Напряжение, вырабатываемое генераторами (обычно около 20 кВ), повышают до напряжения 75 кВ, 500 кВ и даже до напряжения 1,15 МВ, в зависимости от длины линии электропередачи. Повышая напряжение с 20 до 500 кВ, то есть в 25 раз, уменьшают потери в линии в 625 раз.

Преобразование переменного тока определенной частоты, при котором напряжение увеличивается или уменьшается в несколько раз практически без потери мощности, осуществляется электромагнитным устройством, не имеющим подвижных частей – электрическим трансформатором. Трансформатор – важный элемент многих электрических приборов и механизмов. Зарядные устройства и игрушечные железные дороги, радиоприемники и телевизоры – всюду трудятся трансформаторы, которые понижают или повышают напряжение. Среди них встречаются как совсем крошечные, не более горошины, так и настоящие колоссы массой в сотни тонн и более.

Рис. 6.10

Трансформатор состоит из магнитопровода, представляющего собой набор пластин, которые обычно изготавливаются из ферромагнитного материала (рис. 6.10). На магнитопроводе располагаются две обмотки – первичная и вторичная. Та из обмоток, которая подключается к источнику переменного напряжения, называется первичной, а та, к которой присоединяют «нагрузку», то есть приборы, потребляющие электроэнергию, называется вторичной. Ферромагнетик увеличивает количество силовых линий магнитного поля приблизительно в 10 000 раз и локализует поток магнитной индукции внутри себя, благодаря чему обмотки трансформатора могут быть пространственно разделены и все же остаются индуктивно связанными.

Действие трансформатора основано на явлениях взаимной индукции и самоиндукции. Индукция между первичной и вторичной обмоткой взаимна, то есть ток, протекающий во вторичной обмотке, индуцирует электродвижущую силу в первичной, точно так же, как первичная обмотка индуцирует электродвижущую силу во вторичной. Более того, поскольку витки первичной обмотки охватывают собственные силовые линии, в них самих возникает электродвижущая сила самоиндукции. Электродвижущая сила самоиндукции наблюдается также и во вторичной обмотке.

Пусть первичная обмотка подсоединяется к источнику переменного тока с электродвижущей силой , поэтому в ней возникает переменный ток , создающий в магнитопроводе трансформатора переменный магнитный поток ? , который сосредотачивается внутри магнитного сердечника и пронизывает все витки первичной и вторичной обмоток.

При отсутствии внешней нагpузки выделяемая в тpансфоpматоpе мощность близка к нулю, то есть близка к нулю сила тока. Применим к первичной цепи закон Ома: сумма электродвижущей силы индукции и напряжения в цепи равна произведению силы тока на сопротивление. Полагая , можно записать: , следовательно, , где Ф – поток пронизывающий каждый виток первичной катушки. В идеальном трансформаторе все силовые линии проходят через все витки обеих обмоток, и поскольку изменяющееся магнитное поле порождает одну и ту же электродвижущую силу в каждом витке, то суммарная электродвижущая сила, индуцируемая в обмотке, пропорциональна полному числу ее витков. Следовательно, .

Коэффициент трансформации напряжения равен отношению напpяжения во вторичной цепи к напряжению в первичной цепи. Для амплитудных значений напряжений на обмотках можно записать:

Таким образом, коэффициент трансформации определяется как отношение числа витков вторичной обмотки к числу витков первичной обмотки. Если коэффициент , трансформатор будет повышающим, а если – понижающим.

Написанные выше соотношения, строго говоря, применимы только к идеальному трансформатору, в котором нет рассеяния магнитного потока и отсутствуют потери энергии на джоулево тепло. Эти потери могут быть связаны с наличием активного сопротивления самих обмоток и возникновением индукционных токов (токов Фуко) в сердечнике.

Токи Фуко.

Токи Фуко. Индукционные токи могут возникать также в сплошных массивных проводниках. При этом замкнутая цепь индукционного тока образуется в толще самого проводника при его движении в магнитном поле или под влиянием переменного магнитного поля. Эти токи названы по имени французского физика Ж.Б.Л. Фуко, который в 1855 г. обнаружил нагревание ферромагнитных сердечников электрических машин и других металлических тел в переменном магнитном поле и объяснил этот эффект возбуждением индукционных токов. Эти токи в настоящее время называются вихревыми токами или токами Фуко.

Если железный сердечник находится в переменном магнитном поле, то в нем под действием индукционного электрического поля наводятся внутренние вихревые токи – токи Фуко, ведущие к его нагреванию. Так как электродвижущая сила индукции всегда пропорциональна частоте колебаний магнитного поля, а сопротивление массивных проводников мало, то при высокой частоте в проводниках будет выделяться, согласно закону Джоуля–Ленца, большое количество тепла.

Во многих случаях токи Фуко бывают нежелательными, поэтому приходится принимать специальные меры для их уменьшения. В частности, эти токи вызывают нагревание ферромагнитных сердечников трансформаторов и металлических частей электрических машин. Для снижения потерь электрической энергии из-за возникновения вихревых токов сердечники трансформаторов изготавливают не из сплошного куска ферромагнетика, а из отдельных металлических пластин, изолированных друг от друга диэлектрической прослойкой.

Рис. 6.11

Вихревые токи широко используются для плавки металлов в так называемых индукционных печах (рис. 6.11), для нагревания и плавления металлических заготовок, получения особо чистых сплавов и соединений металлов. Для этого металлическую заготовку помещают в индукционную печь (соленоид, по которому пропускают переменный ток). Тогда, согласно закону электромагнитной индукции, внутри металла возникают индукционные токи, которые разогревают металл и могут его расплавить. Создавая в печи вакуум и применяя левитационный нагрев (в этом случае силы электромагнитного поля не только разогревают металл, но и удерживают его в подвешенном состоянии вне контакта с поверхностью камеры), получают особо чистые металлы и сплавы.

Здравствуйте, ценители мира электрики и электроники. Если вы частенько заглядываете на наш сайт, то наверняка помните, что совсем недавно у нас вышел достаточно объемный материал про то, как устроен и работает генератор постоянного тока. Мы подробно описали его строение от самых простых лабораторных прототипов, до современных рабочих агрегатов. Обязательно почитайте, если еще этого не сделали.

Сегодня мы разовьем эту тему, и разберемся, в чем заключается принцип действия генератора переменного тока. Поговорим о сферах его применения, разновидностях и много еще о чем.

Начнем с самого основного – переменный ток отличается от постоянного тем, что он с некоторой периодичностью меняет свое направление движения. Также он меняет и величину, о чем мы подробнее поговорим далее.

Спустя определенный промежуток времени, который мы назовем «Т» значения параметров тока повторяются, что на графике можно изобразить в виде синусоиды – волнистой линии, проходящей с одинаковой амплитудой через центральную линию.

Базовые принципы

Итак, назначение и устройство генераторов переменного тока, называемого раньше альтернатором, заключается в преобразовании кинетической энергии, то есть механической, в электрическую. Подавляющее большинство современных генераторов используют вращающееся магнитное поле.

• Работают такие устройства за счет электромагнитной индукции, когда при вращении в магнитном поле катушки из токопроводящего материала (обычно медная проволока), в ней возникает электродвижущая сила (ЭДС).
• Ток начинает образовываться в тот момент, когда проводники начинают пересекать магнитные линии силового поля.

• Причем пиковое значение ЭДС в проводнике достигается при прохождении им главных полюсов магнитного поля. В те моменты, когда они скользят вдоль силовых линий, индукция не возникает и ЭДС падает до нуля. Взгляните на любую схему из представленных – первое состояние будет наблюдаться, когда рамка примет вертикальное положение, а второе – когда горизонтальное.

• Для лучшего понимания протекающих процессов нужно вспомнить правило правой руки, изучавшееся всеми в школе, но мало кем помнящееся. Суть его заключается в том, что если расположить правую руку так, чтобы силовые линии магнитного поля входили в нее со стороны ладони, большой палец, отведенный в сторону, укажет направление движения проводника, а остальные пальцы будут указывать на направление возникающей в нем ЭДС.
• Взгляните на схему выше, положение «а». В этот момент ЭДС в рамке равно нулю. Стрелочками показано направление ее движения – часть рамки А двигается в сторону северного полюса магнита, а Б – южного, достигнув которых ЭДС будет максимальным. Применяя описанное выше правило правой руки, мы видим, что ток начинает течь в части «Б» в нашу сторону, а в части «А» – от нас.
• Рамка вращается дальше и ток в цепи начинает падать, пока рамка снова не займет горизонтальное положение (в).
• Дальнейшее вращение приводит к тому, что ток начинает течь в обратном направлении, так как части рамки поменялись местами, если сравнивать с начальным положением.

Спустя половину оборота, все снова вернется в изначальное состояние, и цикл повторится снова. В итоге мы получили, что за время совершения полного оборота рамки, ток дважды возрастал до максимума и падал до нуля, и единожды менял свое направление относительно нчального движения.

Переменный ток

Принято считать, что длительность периода обращения равняется 1 секунде, а число периодов «Т» является частотой электрического тока. В стандартных электрических сетях России и Европы за одну секунду ток меняет свое направление 50 раз – 50 периодов в секунду.

Обозначают в электронике один такой период особой единицей, названной в честь немецкого физика Г. Герца. То есть в приведенном примере российских сетей частота тока составляет 50 герц.

Вообще, переменный ток нашел очень широкое применение в электронике благодаря тому, что: величину его напряжения очень просто изменять при помощи трансформаторов, не имеющих движущихся частей; его всегда можно преобразовать в постоянный ток; устройство таких генераторов намного надежнее и проще, чем для выработки постоянного тока.

Строение генератора переменного тока

Как устроен генератор переменного тока, в принципе, понятно, но вот, сравнивая его с собратом для выработки постоянного, не сразу можно уловить разницу.

Основные рабочие части и их подключение

Если вы прочли предыдущий материал, то наверняка помните, что рамка в простейшей схеме была соединена с коллектором, разделенным на изолированные контактные пластины, а тот, в свою очередь, был связан со щетками, скользящими по нему, через которые и была подключена внешняя цепь.

За счет того, что пластины коллектора постоянно меняются щетками, не происходит смены направления тока – он просто пульсирует, двигаясь в одном направлении, то есть коллектор является выпрямителем.

• Для переменного тока такого приспособления не нужно, поэтому его заменяют контактные кольца, к которым привязаны концы рамки. Вся конструкция вместе вращается вокруг центральной оси. К кольцам примыкают щетки, которые также по ним скользят, обеспечивая постоянный контакт.
• Как и в случае с постоянным током, ЭДС, возникающие в разных частях рамки, будут суммироваться, образуя результирующее значение этого параметра. При этом во внешней цепи, подключенной через щетки (если подсоединить к ней резистор нагрузки RH), будет протекать электрический ток.
• В рассмотренном выше примере «Т» равняется полному обороту рамки. Отсюда можно сделать логичный вывод, что частота тока, вырабатываемая генератором, напрямую зависит от скорости вращения якоря (рамки), или другими словами ротора, в секунду. Однако это касается только такого простейшего генератора.

Если увеличить число пар полюсов, то в генераторе пропорционально возрастет и число полных изменений тока за один оборот якоря, и частота его будет измерять иначе, по формуле: f = np, где f – это частота, n – число оборотов в секунду, p – количество пар магнитных полюсов устройства.

• Как мы уже писали выше, течение переменного тока графически изображается синусоидой, поэтому такой ток еще называется и синусоидальным. Сразу можно выделить основные условия, задающие постоянство характеристик такого тока – это равномерность магнитного поля (постоянная его величина) и неизменная скорость вращения якоря, в котором он индуктируется.
• Для того чтобы сделать устройство достаточно мощным, в нем применяются электрические магниты. Обмотка ротора, в которой индуцируется ЭДС, в действующих агрегатах тоже не является рамкой, как мы показывали в схемах выше. Применяется очень большое количество проводников, которые соединены друг с другом по определенной схеме

Интересно знать! Образование ЭДС происходит не только тогда, когда проводник смещается относительно магнитного поля, но и наоборот, когда двигается само поле относительно проводника, чем активно и пользуются конструкторы электродвигателей и генераторов.

• Данное свойство позволяет размещать обмотку, в которой индуктируется ЭДС, не только на вращающейся центральной части устройства, но и на неподвижной части. При этом в движение приводится магнит, то есть полюсы.

• При таком строении внешняя обмотка генератора, то есть силовая цепь, не нуждается ни в каких подвижных частях (кольцах и щетках) – соединение выполняется жесткое, чаще болтовое.
• Да, но можно резонно возразить, мол, эти же элементы потребуется установить на обмотке возбуждения. Так и есть, однако сила тока, протекающая здесь, будет намного меньше итоговой мощности генератора, что значительно упрощает организацию подвода тока. Элементы будут малы по размерам и массе и очень надежны, что делает именно такую конструкцию самой востребованной, особенно для мощных агрегатов, например, тяговых, устанавливаемых на тепловозах.
• Если же речь идет о маломощных генераторах, где токосъем не представляет каких-то сложностей, поэтому часто применяется «классическая» схема, с вращающейся якорной обмоткой и неподвижным магнитом (индуктором).

Совет! Кстати, неподвижная часть генератора переменного тока называется статором, так как она статична, а вращающаяся – ротором.

Виды генераторов переменного тока

Классифицировать и отличить генераторы можно по нескольким признакам. Давайте назовем их.

Трехфазные генераторы

Отличаться они могут по количеству фаз и быть одно-, двух- и трехфазными. На практике наибольшее распространение получил последний вариант.

• Как видно из картинки выше, силовая часть агрегата имеет три независимые обмотки, расположенные на статоре по окружности, со смещением друг относительно друга на 120 градусов.
• Ротор в данном случае представляет собой электромагнит, который, вращаясь, индуктирует в обмотках переменные ЭДС, которые сдвинуты друг относительно друга во времени на одну третью периода «Т», то есть такта. По сути, каждая обмотка представляет собой отдельный однофазный генератор, который питает переменным током свою внешнюю цепь R. То есть мы имеет три значения тока I(1,2,3) и такое же количество цепей. Каждая такая обмотка вместе с внешней цепью получила название фазы.

• Чтобы сократить число проводов, ведущих к генератору, три обратных провода, ведущих к нему от потребителей энергии, заменяют одним общим, по которому будут проходить токи от каждой фазы. Такой общий провод называют нулевым
• Соединение всех обмоток такого генератора, когда их концы соединяются друг с другом, называется звездой. Отдельные три провода, соединяющие начала обмоток с потребителями электроэнергии называются линейными – по ним и идет передача.
• Если нагрузка всех фаз будет одинаковой, то необходимость в нулевом проводе полностью отпадет, так как общий ток в нем будет равен нулю. Как так получается, спросите вы? Все предельно просто – для понятия принципа достаточно сложить алгебраические значения каждого синусоидального тока, сдвинутых по фазе на 120 градусов. Схема выше поможет понять этот принцип, если представить, что кривые на нем – это изменение тока в трех фазах генератора.
• Если же нагрузка в фазах будет неодинаковой, то нулевой провод начнет пропускать ток. Именно поэтому распространена 4-х проводная схема подключения звездой, так как она позволяет сохранять электрические приборы, включенные в этот момент в сеть.

• Напряжение между линейными проводами называется линейным, тогда как напряжение на каждой фазе – фазным. Токи, протекающие в фазах, являются и линейными.
• Схема подключения звездой не является единственной. Существует и другой вариант последовательного подключения трех обмоток, когда конец одной соединен с началом второй, и так далее, пока не образуется замкнутое кольцо (см. схему выше «б»). Исходящие от генератора провода подключаются в местах соединения обмоток.
• В таком случае фазовые и линейные напряжения будут одинаковыми, а ток линейного провода будет больше фазного, при их одинаковой нагрузке.
• Такое соединение также не нуждается в нулевом проводе, в чем и заключается основное преимущество трехфазного генератора. Наличие меньшего количества проводов делают его проще, и цена его ниже, из-за меньшего количества используемых цветных металлов.

Еще одной особенностью трехфазной схемы подключения является появление вращающегося магнитного поля, что позволяет создавать простые и надежные асинхронные электродвигатели.

Но и это не все. При выпрямлении однофазного тока на выходе выпрямителя получается напряжение с пульсациями от нуля до максимального значения. Причина, думаем, ясна, если вы поняли основной принцип работы такого устройства. Когда же присутствует сдвиг по времени фаз, пульсации сильно уменьшаются, не превышая 8%.

Различие по виду

Отличаются генераторы и по виду, которых существует 2:

• Синхронный генератор переменного тока – главная особенность такого агрегата заключается в жесткой связи частоты переменной ЭДС, которая наведена в обмотке и синхронной частотой вращения, то есть вращения ротора.

1. Взгляните на схему выше. На ней мы видим статор с трехфазной обмоткой, соединенной по треугольной схеме, которая мало чем отличается от той, что стоит на асинхронном двигателе.
2. На роторе генератора располагается электромагнит с обмоткой возбуждения, питающаяся от постоянного тока, который может быть подан на него любым известным способом – об этом подробнее будет расписано далее.
3. Вместо электромагнита может быть применен постоянный, тогда необходимость в скользящих частях схемы, в виде щеток и контактных колец, отпадает вовсе, на такой генератор не будет достаточно мощным и не сможет нормально стабилизировать выходные напряжения.
4. К валу ротора подключается привод – любой двигатель, создающий механическую энергию, и он приводится в движение с определенной синхронной скоростью.
5. Так как магнитное поле главных полюсов вращается вместе с ротором, начинается индукция переменных ЭДС в обмотке статора, которые можно обозначить как Е1, Е2 и Е3. Эти переменные будут одинаковыми по значению, но как уже не раз говорилось, смещенными на 120 градусов по фазе. Вместе эти значения образуют трехфазную систему ЭДС, которая симметрична.
6. К точкам С1,С2 и С3 подключается нагрузка, и на фазах обмотки в статоре появляются токи I1,I2,и I В это время каждая фаза статора сама становится мощным электромагнитом и создает вращающееся магнитное поле.
7. Частота вращения магнитного поля статора будет соответствовать частоте вращения ротора.

• Асинхронные генераторы – их отличает от описанного выше примера то, что частоты ЭДС и вращения ротора жестко не привязаны друг к другу. Разница между этими параметрами называется скольжением.

1. Электромагнитное поле такого генератора в обычном рабочем режиме оказывает под нагрузкой тормозной момент на вращение ротора, поэтому частота изменения магнитного поля будет меньшим.
2. Эти агрегаты не требуют для создания сложных узлов и применения дорогих материалов, поэтому нашли широкое применение, как электрические двигатели для транспорта, из-за легкого обслуживая и простоты самого устройства. Данные генераторы устойчивы к перегрузкам и коротким замыканиям, однако на устройствах сильно зависящих от частоты тока они неприменимы.

Способы возбуждения обмотки

Последнее различие моделей, которое хотелось бы затронуть, связано со способом запитки возбуждающей обмотки.

Тут можно выделить 4 типа:

1. Питание на обмотку подается через сторонний источник.
2. Генераторы с самовозбуждением – питание берется от самого генератора, при этом напряжение выпрямляется. Однако находясь в неактивном состоянии, такой генератор не сможет выработать достаточного напряжения, чтобы стартовать, для чего в схеме применяется аккумулятор, который будет задействован во время старта.
3. Вариант с обмоткой возбуждения, питающейся от другого генератора меньшей мощности, установленного с ним на одном валу . Второй генератор уже должен стартовать от стороннего источника, например, того же аккумулятора.
4. Последняя разновидность вообще не нуждается в подаче питания на обмотку возбуждения, так как ее у него нет, ведь применяется в устройстве постоянный магнит.

Применение генераторов переменного тока на практике

Применяются такие генераторы практически во всех сферах человеческой деятельности, где требуется электрическая энергия. Причем принцип ее добычи отличается только способом приведения в движение вала устройства. Так работают и гидро-, и тепло- и даже атомные станции.

Данные станции запитывают по проводам общественные сети, к которым подключается конечный потребитель, то есть все мы. Однако существует множество объектов, к которым невозможно доставить электрическую энергию таким способом, например, транспорт, стройплощадки вдали от линий электропередач, очень далекие поселки, вахты, буровые установки и прочее.

Это означает только одно – требуется свой генератор и двигатель, приводящий его в движение. Давайте рассмотрим несколько небольших и часто встречающихся в нашей жизни устройств.

Автомобильные генераторы

На фото — электрический генератор для автомобиля

Кто-то возможно тут же скажет: «Как? Это же генератор постоянного тока!». Да, действительно, так оно и есть, однако таковым его делает лишь наличие выпрямителя, который этот самый ток делает постоянным. Основной принцип работы ничем не отличается – все тот же ротор, все тот же электромагнит и прочее.

Это устройство функционирует таким образом, что вне зависимости от скорости вращения вала, оно вырабатывает напряжение в 12В, что обеспечивается регулятором, через который идет питание обмотки возбуждения. Обмотка возбуждения стартует, запитываясь от автомобильного аккумулятора, ротор агрегата приводится в движение двигателем автомобиля через шкив, после чего начинает индуцироваться ЭДС.

Для выпрямления трехфазного тока используется несколько диодов.

Генератор на жидком топливе

Устройство бензинового генератора переменного тока, ровно, как и дизельного, мало чем отличается от того, что установлен в вашем автомобиле, за исключением нюанса, что ток он будет выдавать, как положено, переменный.

Из особенностей можно выделить то, что ротор агрегата всегда должен вращаться с одной скоростью, так как при перепадах выработка электроэнергии становится хуже. В этом кроется существенный недостаток подобных устройств – подобный эффект происходит при износе деталей.

Интересно знать! Если к генератору подключить нагрузку, которая будет ниже рабочей, то он не будет использовать свою мощность на полную, съедая часть жидкого топлива впустую.

На рынке представлен большой выбор подобных агрегатов, рассчитанных на разную мощность. Они пользуются большой популярность за счет своей мобильности. При этом инструкция по пользованию предельно проста – заливаем своими руками топливо, запускаем двигатель поворотом ключа и подключаемся…

На этом, пожалуй, закончим. Мы разобрали назначение и общее устройство этих приборов максимально просто. Надеемся, генератор переменного тока и принцип его действия стали к вам чуточку ближе, и с нашей подачи вы захотите погрузиться в увлекательный мир электротехники.