Генерация электроэнергии
На рисунке ниже изображён простейший опыт, который помогает понять принцип действия генератора.
Образование тока при движении проводника
Если переместить проводник в пространстве так, чтобы он пересекал линии магнитного поля, то в нём образуется электродвижущая сила (ЭДС). Это явление называют индукцией. При замыкании свободных концов в цепи будет течь ток, который можно использовать для питания лампы накаливания, или другой полезной нагрузки.
На рисунке изображена правая рука с отогнутым в сторону перемещения проводника большим пальцем. Этот простой способ используют для наглядного определения направления тока в цепи.
Для получения необходимого результата допустимо передвижение, как проводника, так и магнита.
По указанной выше схеме действующую машину создать не получится. Но следующий вариант вполне применим на практике.
Схема устройства и ЭДС на выходе
На рисунке изображена рамка, вращающаяся в магнитном поле (направление силовых линии обозначены стрелкой «В»). Съёмники энергии – это специальные щётки. Рамка присоединена к половинам колец (коллекторам), разъединённым электрически с помощью особых изолирующих вставок. На выходе этого устройства электродинамическая сила будет изменяться в соответствии с приведённым графиком. Её величину определяет расчёт на основе следующей формулы:
е=2В*n, где
В – это поток созданного магнитного поля в Вб;
n – количество полных оборотов рамки за одну секунду.
Из формулы понятно, что получить больше электроэнергии можно двумя способами. Для этого надо увеличить скорость вращения либо повысить силу магнитного поля.
Что такое генератор переменного тока, и кто его изобрел
Генератор переменного тока представляет собой специализированную электрическую установку, которая преобразует механическую энергию в электрическую. Последняя обладает переменной характеристикой. Само превращение основано на механическом вращении катушки из проволоки внутри магнитного поля.
Демонстрация рассматриваемого прибора в разрезе
К сведению! Практически все современные генераторы используют для получения электроэнергии вращающееся магнитное поле, а не катушку.
Как уже было сказано, электрический ток вырабатывается не только при механическом движении катушки в поле магнита, но и тогда, когда силовые линии магнита, находящегося во вращательном движении, пересекают витки катушки. Таким образом появляющиеся электроны начинают свое движение к положительному полюсу магнита, а сам электроток протекает от плюсового полюса к минусовому.
Ток индуцируется в проводнике (катушке). Его течение отталкивает магнит, когда рамка катушки подходит к нему, и отталкивает его, когда рамка удаляется. Его говорить проще, то ток каждый раз меняет свою ориентацию относительно полюсов магнита. Это и вызывает такое явление, как переменный электрический ток.
Демонстрация прибора с помощью простого магнита и контура
Данное приспособление появилось еще в 1832 г. благодаря стараниям Н. Тесла. Именно тогда был создал самый первый однофазный синхронный генератор переменного электрического тока. Самые первые установки производили только постоянный ток, а рассматриваемый генератор переменной характеристики некоторое время не мог найти своего практического применения. Это длилось не долго, так как люди быстро поняли, что переменный ток использовать гораздо практичнее, чем постоянный.
Вам это будет интересно Особенности электродвигателей на 220 В
Обратите внимание! Преимущество новой технологии заключалось в том, что такой электроток было легче выработать, а на обслуживание приборов уходило в разы меньше времени и ресурсов, чем на аналоги, работающие на постоянном токе. Именно благодаря переменному току и его генератору смогли появиться на свет такие электроприборы, как радиоприемник, магнитофон и другие более поздние автоматические и электротехнические установки, без которых представить жизнь современного человека нельзя
Именно благодаря переменному току и его генератору смогли появиться на свет такие электроприборы, как радиоприемник, магнитофон и другие более поздние автоматические и электротехнические установки, без которых представить жизнь современного человека нельзя.
Использование графика для демонстрации переменного и постоянного электротоков
Мощность автогенератора
Если включить все энергоемкие приборы в автомобиле, то генератор может не справляться с нагрузкой и часть энергии будет отдавать аккумулятор.
Чтобы рассчитать мощность генератора достаточно воспользоваться простой формулой из школьного курса P = I * U, где Р – мощность, I – сила тока, U – напряжение.
Мы узнали, что напряжение на выходе генератора должно быть в районе 13,5В – 14,2В. Сила тока у разных моделей может отличаться. В среднем это от 80А до 140А. Возьмем среднее значение в 100А.
По формуле получаем 13,5В*100А = 1 350 Вт или 1,35 КВт. Это и есть мощность генератора, которая измеряется в Ваттах. Нужно также учитывать, что это максимальное значение, которое достигается при определенных оборотах двигателя, как правило, от 3000 об/мин и выше. На холостом ходе выдаваемая мощность равняется 75% от максимально возможной. Считается, что для автомобиля хватает 80А. Если применить более мощный автогенератор, то бортовая сеть может не справиться с нагрузкой. Нужно это учитывать. Большая мощность не всегда идет на пользу.
Инверторные генераторы
Производство электрической энергии осуществляется аналогично, как на любой классической модели генератора. В первую очередь производится выработка переменного тока. Он выпрямляется и подается на инверторный узел, а затем преобразуется опять в переменный, только с необходимыми техническими параметрами.
В основе агрегата используется электронный модуль, включающий в себя:
- выпрямительный узел;
- микропроцессорное устройство;
- преобразовательный механизм.
По типу выходного напряжения инверторные агрегаты могут разделяться на:
- Прямоугольные. Такой вид устройств считается наиболее дешевым. Его энергии хватит только для запитки электроинструментов и маломощных приборов.
- Устройства с трапецеидальным сигналом. Могут использоваться для питания большинства электроприборов, кроме высокочувствительной техники. Стоимость таких агрегатов средняя.
- Устройства, работающие с синусоидальным напряжением. Такие генераторы характеризуются стабильными характеристиками и подходят для большинства электрических приборов.
- Прямоугольные. Такой вид устройств считается наиболее дешевым. Его энергии хватит только для запитки электроинструментов и маломощных приборов.
- Устройства с трапецеидальным сигналом. Могут использоваться для питания большинства электроприборов, кроме высокочувствительной техники. Стоимость таких агрегатов средняя.
- Устройства, работающие с синусоидальным напряжением. Такие генераторы характеризуются стабильными характеристиками и подходят для большинства электрических приборов.
Инверторные агрегаты могут функционировать без перерыва либо промежутками. В качестве объектов потребления энергии обычно выступают учреждения, где нельзя допустить перепадов напряжения.
Основные преимущества инверторных установок:
- маленькие размеры и масса;
- низкий расход горючего в результате регулировки выработки определенного объема электричества, необходимого в конкретный момент времени;
- инверторные агрегаты могут функционировать в течение короткого временного интервала с перегрузкой.
Минусы:
- высокая стоимость устройств по сравнению с классическими вариантами генераторных установок;
- повышенная чувствительность к температурным изменениям в электронной составляющей;
- невысокий уровень мощности установки;
- дорогостоящий ремонт электронного модуля при его поломке.
Использование инверторных устройств актуально в случае, когда требуемая величина мощности составляет не больше 6 кВт. Если агрегат будет использоваться на постоянной основе, то лучше отдать предпочтение классическому типу.
Канал «Garage КАХОВКА» протестировал бензиновую установку инверторного класса от производителя «ПилоД».
https://youtube.com/watch?v=OQcCpFD1ixk
Конструкция генератора переменного тока
В самом общем случае, наиболее часто применяемый трехфазный генератор переменного тока состоит из явнополюсного ротора с одной парой полюсов (маломощные оборотистые генераторы) или 2 парами их, расположенными крестообразно (наиболее распространенные генераторы мощностями до нескольких сот киловатт. Такая конструкция не только позволяет более рационально использовать материал, но и для промышленной частоты переменного тока 50 Гц дает рабочую частоту вращения ротора 1500 оборотов в минуту, что хорошо согласуется с тяговыми оборотами дизельных двигателей этой мощности), а также статора с 3 (в первом случае) или 6 (во втором) силовыми обмотками и полюсами. Напряжение с силовых обмоток и есть то, которое подается потребителю.
Ротор может быть выполнен на постоянных магнитах только для весьма маломощных генераторов, во всех остальных случаях он имеет намотку т.н. обмотки возбуждения, то есть представляет из себя электромагнит постоянного тока, запитываемый во вращающемся роторе через щёточно-коллекторный узел с простыми кольцевыми контактами, более устойчивыми к износу нежели разрезной ламельный коллектор машин постоянного тока.
В сколько-либо мощном генераторе переменного тока с обмоткой возбуждения на роторе, неизбежно встает вопрос — какой величины ток возбуждения подавать на катушку? Ведь от этого зависит выходное напряжение такого генератора. И это напряжение должно поддерживаться в определенных рамках, например, 380 Вольт, вне зависимости от тока в цепи потребителей, значительная величина которого способна также значительно уменьшать выходное напряжение генератора. Кроме этого, нагрузка по фазам вообще может быть очень неравномерной.
Этот вопрос решается в современных генераторах, как правило введением в выходные цепи фаз генератора электромагнитных трансформаторов тока, соединенных вторичными обмотками треугольником или звездой, и дающими на выходе переменное трехфазное напряжение амплитудой единицы — десятки вольт, строго пропорциональное и согласованное по фазе с величиной тока нагрузки фаз генератора — чем больше потребляемый в данный момент по данной фазе ток, тем больше напряжение на выходе соответствующей фазы соответствующего токового трансформатора. Этим и достигается стабилизирующий и авторегулирующий эффект. Все три регулирующие фазы с вторичных обмоток токовых трансформаторов далее заводятся на обычный 3-фазный выпрямитель из 6 полупроводниковых диодов, и на выходе его получается постоянный ток нужной величины, и подаваемый на обмотку возбуждения ротора через щёточно-коллекторный узел. Схема может быть дополнена реостатным узлом для некоторой свободы регулирования тока возбуждения.
В устаревших или маломощных генераторах вместо токовых трансформаторов применялась система из мощных реостатов, с вычленением рабочего тока возбуждения за счет изменения падения напряжения на резисторе при изменении тока через него. Эти схемы были менее точны и гораздо менее экономичны.
В обоих случаях существует проблема появления начального напряжения на силовых обмотках генератора в момент начала его работы — действительно, если возбуждения ещё нет, то и току во вторичных обмотках токовых трансформаторов взяться неоткуда. Проблема, однако, решается тем что железо ярма ротора обладает некоторой способностью к остаточному намагничиванию, эта остаточная намагниченность оказывается достаточной для возбуждения в силовых обмотках напряжения в несколько вольт, достаточного для самовозбуждения генератора и выхода его на рабочие характеристики.
В генераторах с самовозбуждением — серьезную опасность представляет случайная подача внешнего напряжения промышленной электрической сети на силовые обмотки статора. Хотя это не приводит к каким-то негативным последствиям для самих обмоток генератора, мощное переменное магнитное поле от внешней сети эффективно размагничивает статор, в результате чего генератор теряет способность к самовозбуждению. В этом случае требуется начальная подача напряжения возбуждения от какого-то внешнего источника, например, автомобильного аккумулятора, иногда такая процедура полностью излечивает статор, но в некоторых случаях необходимость подачи внешнего возбуждения остается навсегда.
Главный генератор переменного тока
Главный генератор состоит из вращающегося магнитного поля, как было указано ранее, и неподвижной арматуры (генераторные обмотки)
Синхронный и асинхронный
В зависимости от принципа работы, генератор может быть представлен устройством синхронного и асинхронного типа. Для любых асинхронных генераторов характерна конструктивная простота и дешевизна изготовления, а также достаточно высокая устойчивость к короткому замыканию или перегрузкам.
Асинхронные электрические генераторы прекрасно зарекомендовали себя в работе с активным уровнем нагрузки, включая лампы накаливания, электронагреватели, современную электронику и электрические конфорки.
Разница синхронного и асинхронного генераторов
Тем не менее, даже в условиях кратковременного перегруза отмечается выход устройства из строя. Именно по этой причине подключение приборов с индуктивной нагрузкой, включая электрические двигатели, не электронные сварочные аппараты и энергозависимый инструмент, потребует применения асинхронного генератора с трех- или четырехкратным запасом по уровню мощности.
https://youtube.com/watch?v=pb9gytQJ9tM
Генераторы синхронного типа востребованы в работе любого индуктивного потребителя, имеющего высокие параметры пусковых токовых величин. Современные синхронные устройства электрического типа легко выдерживают пятикратный уровень секундной токовой перегрузки, что обусловлено линейной зависимостью числа оборотов вращения магнитного поля от количества роторных оборотов или угловой скорости генератора.
Асинхронные и синхронные генераторы отличаются своим устройством, но первый вариант принято считать конструктивно более надежным, что объясняется отсутствием в них традиционного щеточного узла.
Виды и варианты исполнения
Дизельные электростанции различаются по выходной электрической мощности, виду тока (переменный трёхфазный/однофазный, постоянный), выходному напряжению, а также частоте тока (например, 50, 60, 400 Гц).
Также дизельные электростанции разделяют по типу охлаждения дизельного двигателя, воздушному или жидкостному. Электростанции с дизельным двигателем жидкостного охлаждения — это агрегаты больших мощностей и размеров.
По назначению
- Портативные (бытовые, переносные) — электростанции с дизельным двигателем воздушного охлаждения мощностью от 0,3 кВт до 20 кВт.
- Стационарные (промышленные) — электростанции с дизельным двигателем жидкостного охлаждения. Как правило, выходной ток — трехфазный, напряжением от 400/230В до 10 кВ. Единичная мощность установок составляет от 8 кВт (10 кВА) до 2000 кВт (2400 кВА).
По конструктивному исполнению
- Открытого исполнения — базовое исполнение электростанции, предназначено для размещения электроустановки в специально оборудованном помещении.
- В шумозащитном кожухе — для установки в помещение при наличии требований к снижению шума.
- Во всепогодном шумозащитном кожухе — для установки на улице при наличии требований к снижению шума.
- Контейнерные — монтаж электростанции в блок-контейнер осуществляется для эксплуатации установки в тяжелых климатических условиях и повышенной вандалозащищённости.
- Электростанция может быть установлена в фургон, машину или на шасси. Таким образом, она приобретает статус мобильной электростанции.
По роду тока
Маломощные дизельные электростанции вырабатывают, как правило, однофазный переменный ток напряжением 220 В и/или трёхфазный напряжением 380 В.
Трёхфазные электростанции имеют более высокий КПД за счёт более высокого КПД генератора переменного тока.
Переносные дизельные электростанции с встроенным выпрямителем (инвертором) могут иметь дополнительный выход постоянного тока напряжением 12-14 вольт, например, для зарядки аккумуляторов.
Мощные дизельные электростанции вырабатывают трёхфазный ток:
- низковольтные — с напряжением до 1 кВ;
- высоковольтные — с напряжением более 1 кВ (6,3 кВ, 10 кВ).
Если необходимо передавать электроэнергию, выработанную низковольтными электростанциями, на значительные расстояние по линиям электропередачи, напряжение повышается на электрических подстанциях до 6,3 кВ или 10,5 кВ.
По типу генератора переменного тока
Синхронный генератор переменного тока Так как частота переменного тока синхронного генератора определяется числом оборотов ротора (двигателя), то дизельная электростанция должна иметь механизм, обеспечивающий постоянное число оборотов дизельного двигателя независимо от нагрузки (генерируемой электрической мощности). Частота переменного тока синхронного генератора будет: f = n 60 {\displaystyle f={\frac {n}{60}}} , где f {\displaystyle f} — частота в герцах; n {\displaystyle n} — число оборотов ротора в минуту.
Если генератор имеет число пар полюсов p {\displaystyle p} , то соответственно этому частота электродвижущей силы такого генератора будет в p {\displaystyle p} раз больше частоты электродвижущей силы двухполюсного генератора: f = p n 60 {\displaystyle f=p{\frac {n}{60}}} .
ЭДС синхронного генератора регулируется изменением тока возбуждения.
Асинхронный генератор переменного тока
Асинхронный генератор может генерировать переменный ток произвольной, нестандартной частоты (значительно отличающейся, например, от используемой в промышленности и быту частоты 50 Гц). Переменный ток после выхода из генератора подвергается выпрямлению, затем получившийся постоянный ток инвертор преобразует в переменный ток с параметрами, определяемыми стандартом. Следует отметить, что недорогие модели инверторов имеют на выходе переменный ток несинусоидальной формы, обычно прямоугольные импульсы или модифицированная синусоида.
ЭДС асинхронного генератора регулируется изменением числа оборотов двигателя и изменением тока возбуждения (если предусмотрено конструкцией генератора).
Асинхронные генераторы без встроенной системы «стартового усиления» плохо переносят длительные перегрузки, в отличие от синхронных.
Сварочные агрегаты
Особой разновидностью дизельных и бензиновых электростанций следует считать сварочные агрегаты, генерирующие постоянный или переменный ток для электродуговой сварки. Выходное электрическое напряжение относительно низкое (около 90 вольт), однако сила тока велика, электрические генераторы не боятся коротких замыканий.
Схема генератора переменного тока
Принципы работы генератора переменного и постоянного токов уже понятны, как и его основные конструкционные элементы. Необходимо рассмотреть пару схем для обобщения материала и понимания процесса генерации электротока.
Схема обычного устройства генерации электротока
Таким образом, были рассмотрены генератор переменного тока, устройство и принцип его действия.
Принципиальная схема электрического генерирующего устройства
Строение этого аппарата практически не поменялось с момента его создания еще в 1800-х гг. Данное электрооборудование служит для выработки тока, который применяется для бытовых или производственных целей.
Инверторный генератор
Что такое генератор
Машины применяются там, где требуется электроэнергия высокого качества. Они могут работать непрерывно или промежутками. Объектами энергопотребления здесь являются учреждения, где не допускаются скачки напряжения.
Основой инверторного генератора является электронный блок, который состоит из выпрямителя, микропроцессора и преобразователя.
Блок-схема инверторного генератора
Выработка электроэнергии начинается так же, как и в классической модели. Сначала вырабатывается переменный ток, который затем выпрямляется и поступает на инвертор, где снова превращается в переменный, с нужными параметрами.
Типы инверторных генераторов отличаются по характеру выходного напряжения:
- прямоугольный – самый дешёвый, способный питать только электроинструменты;
- трапецеидальный импульс – подходит для многих приборов, за исключением чувствительной техники (средняя ценовая категория);
- синусоидальное напряжение – стабильные характеристики, подходящие для всех электроприборов (самая высокая цена).
Достоинства инверторных генераторов:
- небольшие габариты и вес;
- малый расход топлива за счёт регулирования выработки количества электроэнергии, которое требуется потребителям в данный момент;
- возможность кратковременной работы с перегрузкой.
Недостатками являются высокие цены, чувствительность к температурным изменениям электронной части, небольшая мощность. Кроме того, дорого обходится ремонт электронного блока.
Инверторная модель выбирается в следующих случаях:
- устройство приобретается только в тех случаях, когда обычный генератор не подходит, поскольку цена на него высокая;
- требуется мощность не более 6 кВт;
- для постоянного использования лучше подходят классические варианты генераторов;
- необходимо частично снабжать электроэнергией бытовые приборы;
- для бытового применения лучше использовать однофазные аппараты.
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.
Схемa генерaторa переменного токa
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.
https://youtube.com/watch?v=rg446M_2418
