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

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

Электрогенератор – устройство, принцип работы

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

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

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

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

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

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

Механизм действия установки сводится к следующему:

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

На заметку! В некоторых случаях электрогенераторы дополнительно оснащаются АКБ. Они выполняют роль стартерного источника питания при запуске, а также в момент потери мощности.

Применение, варианты подключения

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

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

Есть 3 варианта включения генератора в местную электросхему:

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

Справка! Ввиду того, что устройство и принцип работы классического генератора основаны на взаимодействии вращающегося источника магнитного поля с неподвижным проводником, вырабатывает он переменный ток. Поэтому бытовые модели существуют как в 1-, так и 2-х- и 3-х-фазных вариантах. С практической точки зрения они одинаковы – только для последних при подключении нужно соблюдать грамотное распределение фаз.

Виды и их особенности

Современные модели бытовых электрогенераторов классифицируются по 3-м признакам:

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

Разберем их особенности более подробно.

Синхронные и асинхронные

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

• Синхронные.

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

Работает по алгоритму:

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

Именно такого рода электрогенераторами оснащается большая часть электростанций.

• Асинхронные.

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

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

Вид топлива

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

• Газ.

Особенности газовых агрегатов проявляются в следующем:

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

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

• Дизель.

Простейшие дизельные генераторы переменного тока имеют следующий ряд плюсов:

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

Проблема дизельных агрегатов выражается в затрудненном запуске на морозе.

• Бензин.

Преимущества бензиновых моделей выражаются в следующем:

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

Главный минус проявляется в высокой цене топлива.

Назначение

По назначению электрогенераторы разделяются на 3 вида:

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

Обратите внимание! Назначение обмотки возбуждения в электрической схеме генератора, расположенной на роторе, сводится к созданию магнитного поля для последующего образования переменного тока в статоре. Для этой цели на роторную катушку ток может подаваться разными путями – от АКБ, отдельного электрогенератора на том же валу или выпрямителя самого же генератора.

Коротко о главном

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

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

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

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