Принцип работы синхронного генератора переменного тока. Принцип действия генератора переменного тока

Принцип действия генератора переменного тока

Закон индукции Фарадея лежит в основе электроэнергетики: на этом принципе действуют генераторы - источники электроснабжения промышленности и населения, трансформаторы. Простейший электрогенератор содержит вращающийся магнит (либо электромагнит) - ротор и неподвижную катушку статора (рис. 8). При вращении ротора в витках обмотки статора магнитный поток меняется по закону:, и возникает ЭДС индукции

,

обеспечивающая ток в нагрузке .

Принцип действия трансформатора

Трансформатор (рис.9) содержит ферромагнитный сердечник, на котором две обмотки, первичная с числом витков и вторичная с . К вторичной подключена нагрузкаR, к первичной - источник напряжения . В соответствии с законом Фарадея, вызывает рост магнитного потока , (). Сердечник, имеющий большую магнитную проницаемость (μ=400÷10000), выполняет две функции. Во-первых, он концентрирует магнитный поток так, что поток через первичную и вторичную обмотки практически одинаков. Во-вторых, большое значение обеспечивает малый ток через первичную обмотку, когда нагрузка не подключена (ток холостого хода), т. е. снижает потери энергии при трансформации.

В соответствии с (5) на вторичной обмотке возникает напряжение , так что напряжение изменяется:

,

где - коэффициент трансформации.

Состав установки

В данной работе определяют взаимную индуктивность двух катушек (длинной катушки – и короткой катушки –, которую надевают на катушкуL1 и могут перемещать вдоль ее оси). Схема установки представлена на рис.10. Питание одной из катушек (например ) осуществляется от генератора звуковой частоты, напряжение

(9)

с которого подается через резистор с сопротивленцем . Вольтметр, расположенный на панели, измеряет действующее напряжение.

Сопротивление выбирается таким, чтобы выполнялось неравенство

(10)

где - индуктивность катушки , - ее активное сопротивление. В этом случае силу тока, протекающего через катушку , можно определить по формуле

. (11)

Переменный ток в катушке создает ЭДС индукции в катушке :

. (12)

Для измерения в данной работе используют осциллограф. Амплитуда ЭДС индукции

, (13)

где ν - частота звукового генератора. Из (13) имеем

. (14)

Если поменять местами катушки L1 и L2, то можно определить

(15)

Измерения

Собрать установку, состоящую из звукового генератора, электронного осциллографа и двумя соосно расположенными катушками и. Ознакомиться с работой звукового генератора и электронного осциллографа (см. описание), включить их в сеть 220 В, подготовить к работе.

Указания по технике безопасности

1. Приборы питаются от сети 220 В. Включение в сеть приборов должно проводиться только в присутствие лаборанта или преподавателя.

2. Все корпусные клеммы приборов должны быть надежно заземлены (для заземления должен применяться провод без изоляции).

3. Запрещается работать в помещении одному.

Задание 1

Измерение взаимной индуктивности М21 и М12 и исследование их зависимости от взаимного расположения катушек

1. Напряжение сигнала со звукового генератора установите в диапазоне 1-4 В, а его частоту - в пределах 30-200 кГц.

2. Подайте напряжение на катушку , а ЭДС с катушки на осциллограф.

3. Установите подвижную катушку в крайнее положение. Перемещая ее в противоположное крайнее положение, через каждый сантиметр запишите значение ЭДС магнитной индукции в цепи катушки .

4. По формуле (14) рассчитайте М21. Данные измерений и вычислений занесите в табл.1.

5. Поменяв местами катушки и, повторите измерения по п.п. 1-4.

6. Постройте графики зависимости М21 и М12 как функции координаты z (z - расстояние между центрами катушек и).

Таблица 1

z, см	ε02, В	М21 Гн	z, см	ε01, В	M21, Гн
UД=			ν=

Задание 2

Определение М21 для различных напряжений питания

1. Поставьте катушку в среднее положение относительно катушки .

2. Установите частоту звукового генератора 104 Гц.

3. Изменяя напряжение UД в цепи катушки L1 снимите зависимость амплитуды ЭДС магнитной индукции от UД: ε02=f(UД). Измерения провести в интервале 0-5 В через 0,5 В.

4. По формуле (14) рассчитайте М21. Данные измерений и вычислений занесите в табл.2

Таблица 2

U0, В
ε02, В
М21, Гн
ν=		R=104 Ом

5. По данным табл. 2 найдите среднее значение М21.

Задание 3

Определение М21 для различных частот генератора

1. Поставьте катушку L1 в среднее положение относительно катушки L2.

2. Установите амплитуду напряжения звукового генератора 2 В.

3. Изменяя частоту генератора от 5 до 20 кГц (не менее 10 точек), снимите зависимость амплитуды ЭДС индукции ε02 от частоты подаваемого напряжения.

4. По формуле (14) рассчитайте М21. Данные измерений и вычислений занесите в табл.3.

Таблица 3

ν, Гц
ε02, В
М21, Гн
UД=		R=104 Ом

5. По данным табл. 3 найдите среднее значение М21.

6. Для одного из полученных значений М21 рассчитайте абсолютную и относительную погрешности ΔМ21 и ΔМ21/М21.

studfiles.net

Принцип работы генератора переменного тока и особенности функционирования

Генераторы переменного тока, известные также некоторое время назад как «альтернаторы» — машины электрического типа, предназначенные для преобразования механической работы в электроэнергию переменного тока.

Принцип работы генератора переменного тока напрямую зависит от его вида.

Устройство машины электрического типа

В зависимости от конструкционных характеристик, все устройства ПТ данного типа могут быть представлены:

1. электротехническими машинами, имеющими недвижимые магнитные полюсы и вращающуюся якорную часть;
2. электротехническими машинами, имеющими вращающиеся магнитные полюсы и недвижимую статорную часть.

Второй вариант отличается большим распространением, что обусловлено статичностью статорной обмотки.

Двигающийся генераторный элемент является ротором, а неподвижная часть носит название статор, который представлен отдельными изолированными листами на основе железа с пазами для проводов обмотки.

Для изготовления ротора используются сплошные железные листы, а установка статора и полюсных роторных наконечников осуществляется с минимальным зазором, необходимым для стабильной и достаточной магнитной индукции. Благодаря особой форме роторных наконечников удается получать токовые величины, близкие к синусоидальным показателям.

Устройство генератора переменного тока

В зависимости от способа генераторного возбуждения, устройства с переменными токовыми величинами представлены оборудованием:

• независимого возбуждения с обмоточным возбуждением, подпитываемым током постоянного типа, получаемым от сторонних источников электроэнергии, включая аккумуляторную батарею;
• с обмоточным возбуждением, подпитываемым токами с незначительным уровнем мощности от вала, единого с генератором;
• с обмоточным возбуждением, подпитываемым выпрямленными токовыми величинами от генератора с самостоятельным возбуждением;
• с типом возбуждения, ориентированным на постоянные магниты.

В зависимости от конструктивных особенностей, выделяется оборудование, имеющее явно и неявно выраженные полюса.

В соответствии с количеством фаз, генераторы переменного тока представлены оборудованием однофазного, двухфазного и трехфазного типа с подсоединением «звездой», «треугольником» или «Славянка».

Какое явление используется в работе генератора переменного тока?

Токи ПТ являются движущей силой многих устройств и современных технических систем, включая разнообразный транспорт. Независимо от конструктивных особенностей технического устройства, явление, объясняющее работу генератора ПТ, представлено электромагнитной индукцией. Такой процесс проявляется в условиях замкнутого контура электротока и при наличии измененных магнитных потоков.

Устройство генератора условно делится на пару основных, наиболее важных частей:

1. якорь, образующий электродвижущую силу в условиях наличия магнитного поля;
2. индуктор, создающий магнитное поле.

Простейший генератор переменного тока

Постоянная часть или основа устройства включает в себя магнит и проволочную обмотку с возникающей в условиях магнитного поля электродвижущей силой. Для получения мощного переменного тока потребуется использовать менее примитивную конструкцию генератора с достаточно сильным магнитным потоком.

Проверка генератора на работоспособность заключается в отсоединении статора и замерах уровня сопротивления мультиметром. Особого внимания потребует подключение устройства с учетом явления, используемого в работе генератора ПТ:

• добавление пары стальных сердечников на проволочную намотку оборудования, чем определяется назначение устройства;
• размещение в пазах на сердечнике стандартного обмоточного элемента, создающего магнитное поле.

Генератор переменного тока (Автомобильный)

Особенностью двухполюсного или многополюсного статора или индуктора, является его статичность и использование для питания постоянных токовых величин. Отличие ротора, или якоря представлено активным вращением, что обусловлено наличием подшипников, а также продуцированием электродвижущей силы или переменных токовых величин. Такой элемент является стандартным внутренним сердечником, имеющим медную проволочную намотку.

Современные генераторы обладают прочным и надежным металлическим корпусом с входами, количество которых обуславливается целевым назначением и особенностями эксплуатации устройства.

Принцип работы генератора переменного тока

Особенностью принципа действия генераторов ПТ, является превращение механической энергии в электроэнергию в процессе вращения проволочного катушечного элемента в условиях созданного магнитного поля.

Асинхронные генераторы

Отличием асинхронного генераторного устройства ПТ является разница в частоте вращения ЭДС ω и роторной части ωr, выражаемая коэффициентом и носящая название скольжение:

S = (ω — ωr)/ ω

Двигатель асинхронный трехфазный

В условиях рабочего режима происходит торможение якорной части в магнитном поле, при этом асинхронные двигатели способны функционировать в качестве генератора при ωr >ω, изменении направленности тока и обратной передаче энергии в электросеть. В таких условиях отмечается торможение электромагнитного момента.

Асинхронные электротехнические машины востребованы при предъявлении не слишком высоких требований к основным параметрам устройства.

Синхронные генераторы

Характеристики синхронного устройства предполагают наличие равенства между частотными параметрами F в ЭДС-статоре и частотой роторных оборотов:

ω = 60 × F / Р,

где Р, является общим количеством полюсных пар на статорной обмотке.

Системы возбуждения синхронных генераторов

Стандартными синхронными генераторами производится напряжение, имеющее синусоидальные характеристики, а подсоединение к выводам потребителей сопровождается протеканием сквозь электрическую цепь одно-, или трехфазного тока.

Стандартные синхронные генераторы являются предпочтительными в условиях наличия перегрузок пускового типа.

Автомобильные электротехнические машины

Генераторы автомобиля не имеют отличий от стандартных устройств, вырабатывающих в процессе работы электрический ПТ с последующим выпрямлением. Конструкция представлена электромагнитным ротором, вращающимся в паре подшипников с наличием привода через шкив.

Устройство автомобильного генератора

Одинарная обмотка характеризуется образованием постоянных токовых величин посредством пары медных колец и графитовых щеточных элементов. Электронным реле регулируется наличие стабильного напряжения на уровне 12 В, вне зависимости от особенностей вращения.

При повышении оборотов движка происходит снижение показателей токового возбуждения, благодаря чему поддерживается постоянство напряжения на выходе.

Особенности функционирования

Правила функционирования электротехнических машин ПТ основаны на появлении внутри проводника электротока посредством электродвижущей силы, способной перемещать все заряженные частицы.

Такая сила проявляется под воздействием изменений интенсивности магнитных полей.

Величина электродвижущей силы всегда прямо пропорциональна скорости изменений в потоках магнитных волн.

Прохождение обмоточных половин у противоположных полюсов вызывает внутри цепи токовое движение в одном направлении от минимальных показателей до наивысших значений и обратно, а изменение положения обмоток относительно полюсов провоцирует возвратное токовое течение с стабильной аналогичной закономерностью.

Простейшие генераторы ПТ представлены проволочной рамкой, которая вращается между разными полюсами внутри неподвижно зафиксированного магнита. Специфика принципа действия современных альтернаторов широко применяется при необходимости поддерживать стабильность электрического снабжения, а также такая техника востребована на объектах, где отсутствует возможность использования централизованных электросетей.

proprovoda.ru

1.2.2. Принцип действия генераторов переменного тока

Упрощенная схема устройства автомобильного генератора пере­менного тока с клювообразным ротором представлена на рис. 1.2.

Рис. 1.2.Автомобильный генераторпеременного токас клювообразным ротором -

В крышке 4 со стороны контактных колец установлены пластмас­совый щеткодержатель 8 с двумя прямоугольными медно-графитовыми щетками 6 и выпрямительный блок 1. При помощи крыльчатки 15 создается притяжная вентиляция для охлаждения ге­нератора. Привод генератора осуществляется при помощи шкива 13.

Принцип действия генератора заключается в следующем. При включении замка зажигания на обмотку возбуждения 2 подается напряжение аккумуляторной батареи, которое вызывает появление тока возбуждения. Ток возбуждения, проходя по обмотке возбужде­ния, создает магнитный поток, рабочая часть которого распределя­ется по клювообразным полюсам одной полярности (например, N). Выходя из по­люсов, магнитный поток пересекает воздушный зазор, проходит по зубцам и спинке статора 10, еще раз пересекает воздушный зазор, входит в клювообразные полюсы другой полярности (соответственно, S) и замыкается через втулку и вал.

При вращении ротора 3 под каждым зубцом статора 10 проходит попеременно то положительный (N), то отрицательный (S) полюс, т. е. маг­нитный поток, пересекающий обмотку статора 11, изменяется по величине и направлению (рис. 1.3). При этом в обмотках фазы бу­дет индуцироваться переменная по величине и направлению ЭДС, действующее значение которой

Eф = 4,44fwФkоб(1.1)

где f - частота; w - число витков обмотки одной фазы; kоб - обмо­точный коэффициент; Ф - магнитный поток.

Частота f = рn/60, где р - число пар полюсов; n- частота вращения.

Значение обмоточного коэффициента kоб зависит от числа пазов статора, приходящихся на полюс и фазу

q = Z/2pm, где Z - число пазов; т - число фаз.

Рис. 1.3. Изменение во времени магнитного потока в генераторе переменного тока с клювообразным ротором

Для отечественных генераторов характерны следующие пара­метры:

Z	18	36	72
kоб	0,866	1	0,966
q	0,5	1,0	2

В фазах обмотки статора синхронного генератора индуцируется ЭДС, описываемая зависимостью (1.1), которую можно переписать в более простом виде:

Е = СеnФ, где Се= 4,44pwФkоб/60 - постоянный коэффициент. (1.2)

Характер изменения ЭДС в проводниках обмотки статора зави­сит от кривой распределения магнитной индукции в зазоре, которая определяется формой полюса. Форму полюса делают такой, чтобы форма ЭДС приближалась к синусоиде.

В автомобильных генераторах наибольшее применение нашли трехфазные мостовые двухполупериодные схемы выпрямления. В этих схемах наиболее благоприятное соотношение между вы­прямленной мощностью Pd и мощностью генератора Рг (теоретиче­ски Рг = 1,045 Рd).

Трехфазная мостовая схема выпрямления обес­печивает относительно небольшие пульсации выпрямленного на­пряжения, что является одним из важных требований к автомо­бильным генераторам в связи с широким применением электроники на автомобиле.

Работает мостовая трехфазная схема выпрямления следующим образом. Предположим, что обмотки статора генератора соедине­ны по схеме «звезда» (рис. 1.4, а). В каждый данный момент време­ни работает тот диод первой группы, у которого анодный вывод в это время имеет наибольший положительный потенциал относи­тельно нейтральной точки N генератора, а вместе с ним - диод второй группы, у которого катодный вывод имеет наибольший по абсолютному значению отрицательный потенциал относительно этой же точки. Частота пульсации выпрямленного напряжения при такой схеме выпрямления равна удвоенному числу фаз генератора, т. е. шесть пульсаций за период (рис. 1.4, б).

Рис. 1.4. Мостовая трехфазная схема выпрямления: а - электрическая схема;

б- осциллограммы фазных и выпрямленного напряжений

Для повышения мощности генератора в выпрямителе могут ис­пользоваться диоды, подключенные к нейтрали трехфазной обмот­ки статора, соединенного по схеме «звезда». Этот эффект достига­ется тем, что в реальных условиях форма напряжения, вырабатываемого генератором, отлична от синусоиды и потенциал ней­тральной точки периодически отличается от нуля.

На современных генераторах для питания обмотки возбуждения применяется отдельный выпрямитель. Он состоит из трех дополни­тельных маломощных диодов (типа Д 223 А с номинальным током 2 А) и трех диодов, общих с силовым выпрямителем (см. рис. 1.11). Принцип действия выпрямителя для питания обмотки возбуждения такой же, как и у силового выпрямителя. Применение диодов с меньшим падением напряжения в прямом направлении позволяет повысить ток отдачи генератора. Кроме того, подключение обмотки возбуждения к дополнительному выпрямителю препятствует проте­канию через нее тока разрядки аккумуляторной батареи при нерабо­тающем двигателе.

В выпрямительных блоках генераторов последних конструкций, например, в компактных генераторах Bosch, вместо обычных сило­вых диодов используются стабилитроны. Применение силовых ста­билитронов позволяет ограничить пики напряжения генератора.

Для соединения фазных обмоток по схеме «звезда» справедли­вы следующие соотношения:

Uл = √3∙Uф; /л = /ф,

где Uл и Uф - соответственно линейное и фазное напряжение; /л, /ф -соответственно линейная и фазная сила тока.

К выпрямителю подается линейное напряжение генератора. Вы­прямленное напряжение Ud пульсирует с частотой fn, в 6 раз большей частоты переменного напряжения генератора т.е. fn = 6f = 6pn/60 = 0,1pn.

При рассмотрении соотношений напряжений и токов генератора переменного тока со встроенным выпрямителем следует учиты­вать, что диоды выпрямителя не являются идеальными ключами и что форма кривой напряжения отлична от синусоиды. Поэтому в реальных условиях значения выпрямленного тока и напряжения будут отличаться от теоретических.

studfiles.net

Генератор (альтернатор) тока – виды и принцип действия

Практика эксплуатации электрооборудования отмечается использованием двух видов генераторов. Один вид представлен генератором переменного тока, другой — генератором постоянного тока. Между тем, независимо от вида, генератор технически преобразует механическую мощность в электрический потенциал. Соответственно, генератор переменного тока генерирует переменные величины, а генератор постоянного тока предназначен под генерацию постоянных величин. Обе конструкции электрических генераторов производят энергию, используя единый фундаментальный принцип.

Содержимое публикации

Генератор и закон электромагнетизма Фарадея.

Согласно закону электромагнитной индукции Фарадея, в условиях, когда проводник движется внутри магнитного поля, образуется эффект пересечения магнитных силовых линий. По этой причине внутри проводника индуцируется ЭДС (электродвижущая сила).

Величина индуцированной электродвижущей силы проводника напрямую зависит от разницы скорости магнитного потока (магнитной силы), действующего на проводник. Электродвижущая сила приведет к протеканию тока, при условии замкнутой цепи проводника.

Следовательно, основными элементами, обеспечивающими работу генератора, являются проводники магнитного поля, которые передвигаются внутри текущего магнитного поля. Для лучшего понимания принципа действия генератора постоянного тока рассмотрим простейшую конструкцию.

Генератор постоянного тока – принцип работы

Картинка ниже показывает одну петлю проводника прямоугольной формы, которая помещается между двумя противоположно расположенными полюсами магнита.

Упрощённая схема устройства генерации электричества: N, S – магнитные полюса; N, N1 – ось вращения рамочного проводника; A, B, C, D – контур рамочного проводника

Условно предполагается, что прямоугольная петля проводника (ABCD) вращается внутри магнитного поля вокруг собственной оси N – N1.

Момент, когда вращением петля проводника перемещается от вертикального положения в положение горизонтальное, происходит «разрез» линии потока магнитного поля. Учитывая наличие двух сторон петли проводника (AB и CD), «обрезка» линий магнитного потока формирует ЭДС по обеим сторонам.

По мере прохождения цикла, естественным образом образуется циркуляция энергии. Направление тока, в данном случае, устанавливает правило правой руки Флеминга. Этот закон электродинамики гласит:

Если разложить ладонь правой руки большим, указательным, средним пальцами перпендикулярно относительно каждого из пальцев, направление большого пальца укажет движение проводника, указательного пальца — магнитного поля, среднего пальца — направление тока, текущего через проводник.

Наглядный пример применения правила Флеминга для правой руки, определяющего направление движения силовых полей. 1 – направление движения проводника, 2 – движение магнитного потока; 3 – движение энергии внутри проводника; 4, 5 – магнитные полюса

Теперь, когда учитывается применение правила Флеминга для правой руки, горизонтальное положение петли отметится протеканием энергии от зоны A к зоне B, тогда как на другой стороне контура энергетический потенциал фиксируется на участке от зоны C к зоне D.

При условии дальнейшего продолжения цикла (движения петли проводника), логичным видится возврат контура из горизонтального в вертикальное положение. Однако наверху теперь окажется сторона контура CD, тогда как сторона AB будет находиться внизу.

Тангенциальное движение сторон ротора

При таком положении контура, тангенциальное движение сторон петли отмечается параллельно линиям потока магнитного поля. Следовательно, «разрез» линий магнитного поля фиксироваться не будет. Такое состояние контура логически исключает появление тока в проводнике.

Продолжением цикла контур вновь переходит в горизонтальное положение. Однако теперь сторона AB петли контура окажется в зоне N полюса, а сторона CD в области полюса S. Выстраивается положение прямо противоположное предыдущему горизонтальному положению, как показано на картинке ниже.

Схематичный упрощённый пример, наглядно показывающий направление силовых потоков при горизонтальном расположении рамочного проводника. 1 – направление магнитного потока; 2 – движение энергии в зоне A – B; 3 – движение энергии в зоне C — D

Здесь тангенциальное движение сторон петли перпендикулярно линиям потока, поэтому скорость «обрезки» магнитного потока максимальна.

Тогда, исходя из правила правой руки Флеминга, указанное положение формирует ток, который течёт от зоны B к зоне A одной стороны контура и от зоны D к зоне C другой стороны контура.

Теперь, если цикл вращения рамки вокруг собственной оси продолжается, каждый раз, когда сторона АВ попадает в область полюса S, энергия течёт от зоны A к зоне B. Когда же эта сторона контура приходит в область полюса N, ток течёт от зоны B к зоне A. Аналогично процесс выглядит для противоположной стороны рамки.

Если обобщить это явление с учётом разных путей, напрашивается логичный вывод. Когда любая сторона петли попадает в область N полюса, энергия течёт через эту часть контура в одном направлении и продолжает своё движение в области S полюса, но уже в другом направлении.

В результате полного вращения, рамка контура по всему периметру находится под током, который можно снять для питания нагрузки.

Съём тока с генератора для питания нагрузки

Картинка ниже демонстрирует, как на первой половине оборота контура ток течёт через проводник (AB), снимается на щётку (1) и подаётся к нагрузке (LM) от которой следует далее к щётке (2) генератора.

Следующая половина оборота контура меняет направление индуцированного тока на противоположное. В то же время положение сегментов a и b также меняется на противоположное.

Эта смена способствует вхождению щётки (2) в контакт с сегментом b. Следовательно, ток от сопротивления нагрузки течёт через щётку (2) и далее к проводнику CD. Волна от тока через цепь нагрузки показана на рисунке. Этот ток является однонаправленным.

Это базовый принцип работы генератора постоянного тока на основе модели с одним контуром. Положение щеток генератора постоянного тока фиксируется следующим образом:

Смена сегментов a и b и переход от одной щетки к другой происходит, когда плоскость вращающегося контура находится под прямым углом к плоскости магнитных линий. Если контур располагается в этом положении, индуцированная электродвижущая сила равна нулю.

Генераторы (альтернаторы) переменного тока

Конструкция генератора (альтернатора) переменного тока содержит магнитные полюсы, размещенные на вращающейся части машины, именуемой ротором, как показано на картинке ниже. Ротор вращается внутри статора. Магнитные полюсы проецируются на корпус ротора.

Структурная схема синхронного альтернатора: 1 – магнитное поле ротора; 2 – проводник статора; a-a’, b-b’, c-c’ – секции статора; 3, 4 – области действия демпферных обмоток, N, S — магниты

Арматурные проводники размещены на статоре. В проводниках якоря индуцируется переменное трехфазное напряжение, представленное секциями (aa’, bb’, cc’), что составляет в целом генерацию трехфазной электрической мощности.

Большая часть современных электростанций используют подобную конструкцию генераторов трехфазного тока. Для народного хозяйства генератор переменного тока (синхронный генератор) является важным инструментом, а для сферы энергетиков это оборудование высокой значимости.

Генератор переменного тока часто называют синхронным генератором. Такая интерпретация обусловлена очевидными факторами. Магнитные полюсы генератора переменного тока сделаны под вращение на синхронной скорости, которая рассчитывается формулой:

 Ns = 120 f / P

где: f — частота переменного тока, P — количество магнитных полюсов.

Большинство практических конструкций генераторов переменного тока имеют стационарно сидящую обмотку якоря и вращающееся магнитное поле. Этим машина отличается от генератора постоянного тока, где расположение элементов конструкции в точности наоборот.

Стандартная модификация генератора переменного тока рассчитана на поддержку очень высоких мощностей, порядка нескольких сотен мегаватт. И этот фактор – ещё одно отличие для сравнения с генераторами постоянного тока.

Для обеспечения такой высокой мощности, вес и размеры естественным образом требуют увеличения. Но для достижения высокой эффективности разумно заменять мощные обмотки якоря менее мощными.

Снижение мощности обмоток способствует снижению веса, уменьшая центробежную силу, необходимую для поворота ротора и допускающей более высокие пределы скорости.

Конструкции генераторов переменного тока наделяются, главным образом, двумя типами роторов:

1. Ротор выступающих полюсов.
2. Ротор гладкий цилиндрический.

Ротор выступающих полюсов

Первый тип обычно используется на машинах с медленной скоростью, имеющих большие диаметры и относительно небольшие осевые длины.

В этом случае полюса выполнены из толстых слоистых стальных секций, склеенных вместе и прикрепленных к ротору механическим соединением.

Структурная схема ротора с выступающими полюсами: 1 – обмотка возбуждения; 2 – тело полюса; 3 – башмак полюса; 4 – отверстие для насадки на вал; 5 – демпферная арматура (обмотка)

Как упоминалось ранее, генератор переменного тока в основном отвечает за генерацию очень высокой электрической мощности.

Чтобы добиться высоких мощностей, механический ввод вращающего момента также должен быть очень высоким. Это высокое значение крутящего момента приводит к эффекту генерации на синхронной машине.

Между тем генерацию необходимо ограничивать заданными пределами. Поэтому торможение демпферными обмотками предусмотрено на магнитных полюсах, как показано на рисунке.

Демпферные обмотки генератора переменного тока в основном представляют собой медные штыри, закороченные с двух концов, которые помещаются в отверстия, выполненные на оси полюса.

Когда генератор переменного тока работает с постоянной скоростью, относительная скорость демпфирующей обмотки относительно основного поля будет равна нулю.

Но как только генератор отходит от синхронной скорости, возникает относительное движение между обмоткой демпфера и основным полем, которое всегда вращается с синхронной скоростью.

Эта относительная разность вызывает формирование дополнительного тока в обмотках, который неизбежно приводит к изменению крутящего момента полюсов таким образом, чтобы генератор продолжал работать на синхронной скорости.

Характерной особенностью структуры магнитных полюсов для таких конструкций являются:

1. Большой диаметр по сравнению с более короткой горизонтальной осевой длиной.
2. Полюсные башмаки покрывают не более 2/3 высоты полюса.
3. Полюса ламинируются для уменьшения потерь вихревых токов.

Генераторы, наделённые роторами с выступающими полюсами, обычно используются на скоростях 100 — 400 об/мин. Такие конструкции генераторов переменного тока применяются на электростанциях с гидравлическими турбинами или дизельными двигателями.

Цилиндрический ротор генератора

Цилиндрический ротор обычно используется на высокоскоростных генераторах, вращение которых обеспечивает паровая турбина (турбогенераторы). Машины производятся для эксплуатации в диапазоне мощностей 10 — 1500 мегавольт-ампер.

Структурная схема ротора цилиндрической формы, применяемого в альтернаторе: 1 – отверстие посадки на вал; 2 – магнитный полюс; 3 – катушка магнитного полюса; 4 – слот для катушки магнитного поля

Генератор с цилиндрическим ротором имеет равномерную длину в любом направлении, цилиндрическую форму под ротор, чем обеспечивается равномерная «резка» потока по всем направлениям.

Цилиндрический ротор представляет собой гладкий сплошной стальной цилиндр с определённым числом прорезей (слотов), расположенных вдоль внешней периферии. Прорези (слоты) сделаны под размещение полюсных катушек.

Генераторы с цилиндрическими роторами обычно выпускаются как машины 2-полюсного типа, поддерживающие скорость вращения до 3000 об/мин.

Кроме того, выпускаются четырёхполюсные генераторы, скорость которых ограничивается частотой 1500 об/мин. Машины с цилиндрическим ротором обеспечивают лучший баланс и более тихую работу наряду с меньшими потерями.

 

zetsila.ru

Принцип действия генераторов переменного тока

Упрощенная схема устройства автомобильного генератора переменного тока с клювообразным ротором представлена на рис. 1.

Рис. 1. Автомобильный генератор переменного тока с клювообразным ротором

В крышке 4 со стороны контактных колец установлены пластмассовый щеткодержатель 8 с двумя прямоугольными меднографитовыми щетками 6 и выпрямительный блок 1. При помощи крыльчатки 15 создается притяжная вентиляция для охлаждения генератора. Привод генератора осуществляется при помощи шкива 13.

Принцип действия генератора заключается в следующем. При включении замка зажигания на обмотку возбуждения 2 подается напряжение аккумуляторной батареи, которое вызывает появление тока возбуждения. Ток возбуждения, проходя по обмотке возбуждения, создает магнитный поток, рабочая часть которого распределяется по клювообразным полюсам одной полярности. Выходя из полюсов, магнитный поток пересекает воздушный зазор, проходит по зубцам и спинке статора 10, еще раз пересекает воздушный зазор, входит в клювообразные полюсы другой полярности и замыкается через втулку и вал.

При вращении ротора 3 под каждым зубцом статора 10 проходит попеременно то положительный, то отрицательный полюс, т. е. магнитный поток, пересекающий обмотку статора 11, изменяется по величине и направлению. При этом в обмотках фазы будет индуцироваться переменная по величине и направлению ЭДС, действующее значение которой

(1.1 )

где f - частота; w - число витков обмотки одной фазы; kоб- обмоточный коэффициент; Ф - магнитный поток.

Частота

,

где p - число пар полюсов; n - частота вращения.

3начение обмоточного коэффициента kоб зависит от числа пазов

статора, приходящихся на полюс и фазу

q= z/(2pm)

где z - число пазов; m - число фаз.

Для отечественных генераторов характерны следующие параметры:

z	18	36	72
Kоб	0,866	1	0,966
q	0,5	1,0	2

В фазах обмотки статора синхронного генератора индуцируется ЭДС, описываемая зависимостью, которую можно переписать в более простом виде:

(1.2)

где Се= 4, 44 рwkоб/60 - постоянный коэффициент.

Характер изменения ЭДС в проводниках обмотки статора зависит от кривой распределения магнитной индукции в зазоре, которая определяется формой полюса. Форму полюса делают такой, чтобы форма ЭДС приближалась к синусоиде.

В автомобильных генераторах наибольшее применение нашли трехфазные мостовые двухполупериодные схемы выпрямления. В этих схемах наиболее благоприятное соотношение между выпрямленной мощностью Рd. И мощностью генератора Рг (теоретически Рг = 1 ,045Р d)' Трехфазная мостовая схема выпрямления обеспечивает относительно небольшие пульсации выпрямленного напряжения, что является одним из важных требований к автомобильным генераторам в связи с широким применением электроники на автомобиле.

Работает мостовая трехфазная схема выпрямления следующим образом. Предположим, что обмотки статора генератора соединены по схеме «звезда» (рис. 2а). В каждый данный момент времени работает тот диод первой группы, у которого анодный вывод в это время имеет наибольший положительный потенциал относительно нейтральной точки N генератора, а вместе с ним - диод второй группы, у которого катодный вывод имеет наибольший по абсолютному значению отрицательный потенциал относительно этой же точки. Частота пульсации выпрямленного напряжения при такой схеме выпрямления равна удвоенному числу фаз генератора, т. е. шесть пульсаций за период (рис. 2б).

Для повышения мощности генератора в выпрямителе могут использоваться диоды, подключенные к нейтрали трехфазной обмотки статора, соединенного по схеме «звезда". Этот эффект достигается тем, что в реальных условиях форма напряжения, вырабатываемого генератором, отлична от синусоиды и потенциал нейтральной точки периодически отличается от нуля.

Рис. 2. Мостовая трехфазная схема выпрямления: а - электрическая схема; б - осциллограммы фазных и выпрямленного напряжений.

На современных генераторах для питания обмотки возбуждения применяется отдельный выпрямитель. Он состоит из трех дополнительных маломощных диодов (типа Д 223 А с номинальным током 2 А) и трех диодов, общих с силовым выпрямителем. Принцип действия выпрямителя для питания обмотки возбуждения такой же, как и у силового выпрямителя. Применение диодов с меньшим падением напряжения в прямом направлении позволяет повысить ток отдачи генератора. Кроме того, подключение обмотки возбуждения к дополнительному выпрямителю препятствует протеканию через нее тока разрядки аккумуляторной батареи при неработающем двигателе.

В выпрямительных блоках генераторов последних конструкций, например, в компактных генераторах Bosch, вместо обычных силовых диодов используются стабилитроны. Применение силовых стабилитронов позволяет ограничить пики напряжения генератора.

Для соединения фазных обмоток по схеме «звезда» справедливы следующие соотношения:

где Uл и Uф - соответственно линейное и фазное напряжение;Iл Iф соответственно линейная и фазная сила тока.

К выпрямителю подается линейное напряжение генератора. Выпрямленное напряжение Ud -пульсирует с частотой fn, В 6 раз большей частоты переменного напряжения генератора, т. е. fn = 6pn= 6pn/60 = 0,1 pn.

Минимальное значение выпрямленного напряжения равно 1,5 UФmax, а максимальное 1,73 UФmах. Пульсация выпрямленного напряжения при соединении обмоток генератора по схеме «звезда»

= (1,73-1,5) UФmах= 0,23 UФmах,

где UФmах - амплитудное значение фазного напряжения (рис. 1.4.6.)

Среднее значение выпрямленного напряжения (период пульсации Т/6)

где Т - период времени; (J) - угловая частота.

Следовательно, пульсация выпрямленного напряжения

Например, при среднем значении выпрямленного напряжения 14 В пульсация равна 1,95 В. При этом максимальное значение выпрямленного напряжения 14,65 В, а минимальное 12,7 В.

Ток при подключении к выпрямителю активной нагрузки где - RH сопротивление нагрузки.

Форма выпрямленного тока имеет такой же вид, как и выпрямленного напряжения, т. е. выпрямленный ток будет пульсирующим с амплитудой

Idтax = Иdтах / RH

Среднее значение выпрямленного тока 6 Tlr2

Id = Idmax costdt = 0,955Idmax

Действующее значение фазного тока

Iф = = O,775Idmax

или

Iф = 0,815Id.

При рассмотрении соотношений напряжений и токов генератора переменного тока со встроенным выпрямителем следует учитывать, что диоды выпрямителя не являются идеальными ключами и что форма кривой напряжения отлична от синусоиды. Поэтому в реальных условиях значения выпрямленного тока и напряжения будут отличаться от теоретических.

Характеристики генераторов переменного тока

Внешняя характеристика, т. е. зависимость напряжения генератора от тока ИГ (/г) при n = const, может определяться при самовозбуждении и независимом возбуждении.

Снижение напряжения при увеличении нагрузки происходит из-за падения напряжения в активном и индуктивном сопротивлениях обмоток статора, размагничивающего действия реакции якоря, уменьшающей магнитный поток в воздушном зазоре. Из семейства внешних характеристик определяется максимальный ток, который обеспечивается при заданном или регулируемом значении напряжения.

Рис. 3. Характеристики генератора переменного тока: а - скоростная регулировочная; б - токоскоростная

Скоростная регулировочная характеристика Iв(n) (рис. 3а) обычно определяется при нескольких значениях тока нагрузки. Минимальное значение тока возбуждения определяется при токе нагрузки генератора, равном нулю, и максимальной частоте вращения. Скоростные регулировочные характеристики позволяют определить диапазон изменения тока возбуждения с изменением нагрузки при постоянном напряжении.

Токоскоростная характеристика Iг(n) (рис. 3б) имеет важное значение при разработке и выборе генератора.

Все современные автомобильные генераторы обладают свойством самоограничения максимального тока. Это связано с тем, что с увеличением частоты вращения ротора генератора, а следовательно, с увеличением частоты индуцированного в обмотке статора переменного тока увеличивается индуктивное сопротивление обмотки статора генератора, пропорциональное квадрату числа витков в фазе. Вследствие этого с увеличением частоты вращения ток генератора увеличивается медленнее, асимптотически стремясь к некоторому предельному значению. При замыкании внешней цепи на сопротивление нагрузки индуцированная в обмотке статора электродвижущая сила вызывает ток

(1.2)

где Ra, и XL - соответственно активное и индуктивное сопротивление обмотки статора.

С увеличением частоты вращения индуктивная составляющая возрастает и становится значительно больше активной составляющей, следовательно, последней можно пренебречь. При этом ток будет постоянным, не зависящим от частоты вращения, а определяемым пара метрами обмоток генератора и магнитным потоком:

studfiles.net

Принцип работы синхронного генератора переменного тока: видео — Asutpp

Основной принцип работы генератора переменного тока так же прост, как и таковой в генераторе постоянного тока. И в первом, и во втором случае, здесь действует закон Фарадея об электромагнитной индукции, согласно которому электрический ток индуцируется в проводнике магнитного поля вследствие относительного движения между этим проводником и магнитным полем. Для понимания принципа работы такого генератора следует представить некий прямоугольный виток, размещенный между двумя противоположными магнитными полюсами, как показано ниже.

Принцип работы генератора

Скажем, одновитковая петля ABCD может вращаться относительно оси a-b. Предположим, что эта петля начинает вращаться по часовой стрелке. После поворота на 90°, токопроводящая жила (токоотвод) AB петли находится в зоне S-полюса, а CD – N-полюса. В этом положении, тангенциальное движение проводника AB перпендикулярно линии магнитного потока от полюса N к S. Следовательно, скорость разъединения потока силовых линий проводника AB максимальна, и индуцированный ток сфокусирован в AB проводнике; а его направление можно теперь определить при помощи так называемого правила «правой руки» или «буравчика» Флемминга. Согласно данному правилу, электрический ток направлен от А к В. В то же самое время, проводник CD подпадает под воздействие полюса N; и в соответствии с вышеуказанным правилом, мы получим направление индуцированного тока от С до D.

Правило «буравчика» – Флемминга

Теперь, после вращения по часовой стрелке на 90°, виток ABCD приходит в вертикальное положение, как показано ниже. В этом положении, тангенциальное движение проводника AB и CD параллельно линии магнитного потока. Следовательно, будет иметь место разъединение потока силовых линий, то есть не будет тока в проводнике вообще. По ходу того, как виток ABCD переходит из горизонтального положения в вертикальное, угол между линиями потока (и направление движения проводника) уменьшается от 90° до 0°, и, таким образом, индуцированный ток в витке сводится к абсолютному нулю от его максимального значения.

Правило «правой руки» Флемминга

После очередного вращения по часовой стрелке на 90°, виток снова оказывается в горизонтальном положении; поэтому проводник AB попадает под влияние N-полюса, а CD – S-полюса. Но если мы снова применим правило «правой руки» Флемминга, то мы увидим, что наведенный (индуцированный) ток в проводнике AB идет от точки В к A, в то время как наведенный ток в проводнике CD – от D до C. Так как в данной позиции виток меняет горизонтальное положение на вертикальное, ток в проводниках доходит до своего максимального значения. Это означает, что ток циркулирует достаточно близко в витке от точки В к А, от А до D, от D до С и от С до А.

В общем, мы можем наблюдать реверс предыдущего горизонтального положения, когда ток циркулирует A → B → C → D → A. При дальнейшем переходе витка в вертикальное положение, ток снова уменьшается до показателя 0. Таким образом, если виток продолжает вращаться, то ток в витке продолжает чередовать свое направление. Во время каждого полного оборота витка, электрический ток в нем постепенно достигает своего максимального значения, а затем сводится к нулю; и наоборот, в противоположном направлении дело снова доходит до показателя 0 и так далее.

Как видите, переменный ток совершает одну полную синусоиду (колебание/волну) во время каждого оборота на 360° в витке, вращаясь внутри магнитного поля. Вот мы и разложили по полочкам фактический принцип работы генератора переменного тока.

Теперь разъединяем петлю и соединяем два ее конца с тяговыми контактными кольцами генератора и постоянными втулками на каждом контактном кольце. Если соединить два терминала внешней нагрузки с этими двумя втулками кондуктора, то мы получим переменный ток в нагрузке. Это и есть элементарная модель генератора.

Поняв простейший принцип работы генератора, теперь можно рассмотреть основной принцип его эксплуатации. Как мы уже знаем, магнитное поле является стационарным, а проводники (якорь электрической машины/ротор) вращаются. Но в целом и на практике, в структуре генератора проводники секций якоря являются стационарными, а полевые магниты вращаются между ними. Ротор генератора или синхронный генератор механически соединен с валом/осью или лопатками турбины, которые при вращении на синхронной скорости и вследствие силы способны привести к разъединению проводников секций якоря магнитного поля, расположенных на статоре. Как прямое следствие этого, ЭДС и ток начинают поступать через эти проводники, которые сначала идут в одном направлении в первой половине цикла, а затем в другом направлении во второй половине цикла, с определенным временным лагом 120° для каждой обмотки, как показано на рисунке ниже.

3 фазы генерируемого напряжения

Благодаря такому физическому явлению, существует возможность направлять поток энергии из генератора 3φ в распределительные электрические станции как для бытовых, так и для промышленных нужд.

www.asutpp.ru

Генератор переменного тока. Устройство и принцип действия

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.

ustroistvo-avtomobilya.ru

---

• 
  Расстояние между шпалами
• 
  Принцип работы реле регулятора генератора
• 
  Экскаватор эо 3322 технические характеристики
• 
  Виды и назначение узлов
• 
  Муфта свободного хода
• 
  Мерседес вито фургон технические характеристики
• 
  Навоза разбрасыватель
• 
  Землечерпательные снаряды
• 
  Каравелла фольксваген т6 новая модель 2018 года отзывы
• 
  Безопасное движение
• 
  К какому типу па относится ацл