Урок 43-3 Устройство и принцип работы генератора переменного тока

Рассмотрим замкнутый контур (рамку) площадью S, помещенный в однородное магнитное поле, индукция которого равна B. Контур равномерно вращается вокруг оси OO’ с угловой скоростью ω.

Магнитный поток, пронизывающий контур, определяется формулой Ф = BS cosΔφ, где Δφ — угол между вектором нормали n к плоскости контура и вектором В. Рамка вращается внутри магнита с частотой v, и за время t совершает N = vt оборотов. За оборот рамка поворачивается на угол 2π рад. Угол на который поворачивается рамка за время t: Δφ = 2π vt = ωt, тогда изменение магнитного потока ΔФ = BS cos Δφ = BS cos ωt .

В замкнутом контуре возникает э.д.с. индукции, которая по закону электромагнитной индукции равна скорости изменения магнитного потока .

Тогда получим мгновенное значение э.д.с.

e = — Ф’ = — (BS cos ωt)’ = BSω sin ωt

Следовательно э.д.с. индукции, возникающая в замкнутом контуре, при его равномерном вращении в однородном магнитном поле меняется со временем по закону синуса. Э.д.с. индукции максимальна при sin ωt = 1, т.е. α = ωt = π/2

Величина ε₀ = ωBS – называется амплитудным значением э.д.с. индукции.

Если такой контур замкнуть на внешнюю цепь, то по цепи пойдет ток, сила и направление которого изменяются. Такая рамка, вращающаяся в магнитном поле является простейшимгенератором переменного тока.

В нашей стране используется переменный ток частотой 50 Гц (в США – 60 Гц). Такой ток вырабатывается генераторами.

Генераторы электрического тока – это устройства для преобразования различных видов энергии – механической, химической, тепловой, световой и др. – в электрическую.

Работа генератора переменного тока основана на явлении электромагнитной индукции.

В настоящее время имеется много различных типов генераторов. Но все они состоят из одних и тех нее основных частей. Это, во-первых, электромагнит или постоянный магнит, создающий магнитное поле, и, во-вторых, обмотка, в которой индуцируется переменная ЭДС — электродвижущая сила (в рассмотренной модели генератора это вращающаяся рамка).

Неподвижную часть генератора называют статором, а подвижную – ротором.

Так как ЭДС, наводимые в последовательно соединенных витках, складываются, то амплитуда ЭДС индукции в рамке пропорциональна числу витков в ней. Она пропорциональна также амплитуде переменного магнитного потока (Ф_m = BS) через каждый виток.

В изображенной на рисунке модели генератора вращается проволочная рамка, которая является ротором. Магнитное поле создает неподвижный постоянный магнит. Разумеется, можно было бы поступить и наоборот: вращать магнит, а рамку оставить неподвижной. К концам обмотки ротора присоединены контактные кольца. Неподвижные пластины — щетки — прижаты к кольцам и осуществляют связь обмотки ротора с внешней цепью.

Модель генератора переменного тока.

Промышленные генераторы имеют намного большие размеры, для увеличения напряжения, снимаемого с клемм генератора, на рамки наматывают не один, а много витков. Во всех промышленных генераторах переменного тока витки, в которых индуцируется переменный ток, устанавливают неподвижно, а вращается магнитная система. Если ротор вращать с помощью внешней силы, то вместе с ротором будет вращаться и магнитное поле, создаваемое им, при этом в проводниках статора будет индуцироваться э.д.с.

Принцип действия генератора переменного тока следующий. Для получения большого магнитного потока в генераторах применяют специальную магнитную систему, состоящую из двух сердечников, сделанных из электротехнической стали. Обмотки, создающие магнитное поле, размещены в пазах одного из сердечников, а обмотки, в которых индуцируется ЭДС, — в пазах другого. Один из сердечников (обычно внутренний) вместе со своей обмоткой вращается вокруг горизонтальной или вертикальной оси. Поэтому он называется ротором. Неподвижный сердечник с его обмоткой называют статором. Зазор между сердечниками статора и ротора делают как можно меньшим для увеличения потока магнитной индукции.

В больших промышленных генераторах вращается именно электромагнит, который является ротором, в то время как обмотки, в которых наводится ЭДС, уложены в пазах статора и остаются неподвижными. Дело в том, что подводить ток к ротору или отводить его из обмотки ротора во внешнюю цепь приходится при помощи скользящих контактов. Для этого ротор снабжается контактными кольцами, присоединенными к концам его обмотки.

Структурная схема генератора переменного тока.

Неподвижные пластины — щетки — прижаты к кольцам и осуществляют связь обмотки ротора с внешней цепью. Сила тока в обмотках электромагнита, создающего магнитное поле, значительно меньше силы тока, отдаваемого генератором во внешнюю цепь. Поэтому генерируемый ток удобнее снимать с неподвижных обмоток, а через скользящие контакты подводить сравнительно слабый ток к вращающемуся электромагниту. Этот ток вырабатывается отдельным генератором постоянного тока (возбудителем), расположенным на том левее валу (В настоящее время постоянный ток в обмотку ротора чаще всего подают из статорной обмотки этого же генератора через выпрямитель).

В маломощных генераторах магнитное поле создается вращающимся постоянным магнитом. В таком случае кольца и щетки вообще не нужны.

Появление ЭДС в неподвижных обмотках статора объясняется возникновением в них вихревого электрического поля, порожденного изменением магнитного потока при вращении ротора.
Современный генератор электрического тока — это внушительное сооружение из медных проводов, изоляционных материалов и стальных конструкций. При размерах в несколько метров важнейшие детали генераторов изготовляются с точностью до миллиметра. Нигде в природе нет такого сочетания движущихся частей, которые могли бы порождать электрическую энергию столь же непрерывно и экономично.

На каком принципе основана работа генераторов переменного тока

С помощью генераторов переменного тока механическая энергия преобразуется в электрическую. Они получили широкое распространение в промышленности и других областях. Для того чтобы эксплуатация была наиболее оптимальной, необходимо знать, на каком принципе основана работа генераторов переменного тока. Всем известно, что в основе действия таких агрегатов лежит вращение магнитного поля. Это позволяет максимально упростить их конструкцию и вырабатывать потребное количество электроэнергии.

Содержание

Составные части и узлы генератора

Основной функцией генератора переменного тока является преобразование механической энергии вращения в электрическое напряжение. Эти устройства могут достигать огромных размеров и использоваться для производства энергии на электростанциях. Маленькие агрегаты применяются не только в промышленности, но и в быту, например, в автомобилях или в качестве резервного источника питания.

Конструкция стандартного генератора состоит из двух основных частей: неподвижного элемента – статора и вращающейся части – ротора. Статор, изготовленный в виде полого цилиндра, содержит магнитную систему. Она представляет собой стальные листы, смонтированные в пакет. Внутри пластин имеются пазы с изоляцией из фторопластовой пленки или другого диэлектрика. Каждый паз содержит обмотку в виде катушки из медного провода, исполняющей роль одной фазы с параллельным или последовательным соединением витков.

Определенная часть катушки выступает из пазов и носит название лобового соединения. В каждой обмотке имеется вывод, соединяющийся в общей точке. На данном месте соединения выполняется изоляция, исключающая соприкосновение с корпусом и другими деталями. Подобное соединение известно, как «звезда», а снятие напряжения осуществляется со всех трех концов.

Вторая основная деталь – ротор, изготавливается в виде массивного стального сердечника и обмотки возбуждения. В большинстве конструкций вал находится в горизонтальном положении, однако на гидроэлектростанциях применяется вертикальное расположение. Охлаждение работающего генератора может быть водяным, воздушным, масляным или водородным.

Принцип действия генераторов

Работа генератора переменного тока основана на электромагнитной индукции. Для получения переменного напряжения требуется задействовать катушку с постоянным электрическим током. Под его воздействием в возбуждающей обмотке образуется магнитное поле. Схема дополняется стальной системой, имеющей полюса для подводки магнитного поля к катушкам. Данная система представляет собой уже рассмотренную статорную обмотку. При вращении ротора, катушки статора поочередно взаимодействуют с разноименными полюсами.

Силовая обмотка статора,как правило, неподвижна. Движение ротора осуществляется с помощью прикладываемой к нему механической энергии. Обычно используется сила ветра, воды, различные виды цепных или ременных передач, способных передавать энергию вращения.

Толчком к началу работы генератора служит подача напряжения к его обмотке возбуждения. Это приводит к созданию электромагнитного поля, которое осуществляет индукцию напряжения в катушках статора под действием вращающегося ротора. Если на обмотке возбуждения увеличивается напряжение, то напряжение автоматически повышается и на катушках статорной обмотки. При уменьшении напряжения происходит обратный процесс. Напряжения на катушку возбуждения может подавать сам генератор. Подобные конструкции относятся к категории самовозбуждающихся устройств.

Как работает трёхфазный генератор переменного тока

Как работают генераторы

Генератор – как это работает

Вы можете подумать, что аккумулятор питает электрооборудование вашего автомобиля, но это не так. Аккумулятор обеспечивает электроэнергию, необходимую для запуска двигателя стартера. Когда автомобиль работает, генератор вырабатывает энергию для питания электрической системы и зарядки аккумулятора. Генератор переменного тока раньше назывался генератором, и он работает аналогичным образом. В этом случае двигатель внутреннего сгорания автомобиля вращает шкивы под капотом, которые вращают шкив генератора и вырабатывают энергию.

Генератор переменного тока работает вместе с аккумуляторной батареей для подачи питания на электрические компоненты автомобиля. Выход генератора постоянного тока (DC). Когда шкив генератора переменного тока вращается, переменный ток (АС) проходит через магнитное поле и генерируется электрический ток. Затем он преобразуется в постоянный ток через выпрямитель.

Развитие технологий привело к тому, что генераторы переменного тока сильно изменились за последние 50 лет. Первоначально генераторы переменного тока использовались только для выработки тока, который контролировался внешним регулятором. Внедрение встроенного регулятора в 1990-х, использовал сигнальную лампу, чтобы возбудить генератор и начать процесс зарядки. Многие современные автомобили приняли систему зарядки по запросу нагрузки с введением интеллектуальных систем зарядки и систем CANBUS, которые в настоящее время широко используются. Эти системы управляются блоком управления двигателем автомобиля (ECU). Когда транспортное средство требует большей нагрузки, ECU посылает сигнал генератору, требуя, чтобы он начал зарядку. Генератор переменного тока должен справляться с переменными электрическими нагрузками и соответствующим образом регулировать скорость зарядки. В наши дни эти типы генераторов переменного тока легко ошибочно диагностировать как неисправные, если на транспортном средстве возникает неисправность зарядки, но чаще всего неисправность генератора не обнаруживается.

Компоненты генератора и их функции:

Регулятор

Регулятор напряжения регулирует количество энергии, передаваемой от генератора к аккумулятору, чтобы управлять процессом зарядки. Регуляторы разработаны с различными функциями и работают в зависимости от их спецификации.

Выпрямитель

Выпрямитель используется для преобразования тока из переменного тока (AC) в постоянный ток (DC) в процессе зарядки.

Ротор

Ротор представляет собой вращающуюся массу внутри генератора переменного тока, которая вращается посредством системы шкивов и приводных ремней. Ротор действует как вращающийся электромагнит.

Токосъемные кольца

Токосъемные кольца используются для подачи постоянного тока и питания на ротор.

Торцевой подшипник с контактным кольцом

Подшипники предназначены для поддержания вращения вала ротора.

Подшипник со стороны привода

Подшипники предназначены для поддержания вращения вала ротора.

Шкив

Шкив соединен с валом ротора и системой приводного ремня. Вращение, создаваемое двигателем, система приводного ремня поворачивает шкив, начиная процесс зарядки.

Кронштейн со стороны привода

Кронштейн с контактным кольцом

См. наши новые артикулы

Принцип работы генератора переменного тока

Машина, которая производит трехфазную энергию из механической энергии, называется генератором переменного тока или синхронным генератором. Работа генератора переменного тока основана на том принципе, что при изменении потока, соединяющего проводник, в проводнике индуцируется ЭДС.
Генераторы являются основным источником всей потребляемой нами электроэнергии. Эти машины являются крупнейшими преобразователями энергии в мире. Они преобразуют механическую энергию в энергию переменного тока.

Содержание

Принцип работы генератора переменного тока

Генератор переменного тока работает на том же фундаментальном принципе электромагнитной индукции, что и генератор постоянного тока. Работа генератора переменного тока основана на том принципе, что при изменении потока, соединяющего проводник, в проводнике индуцируется ЭДС.
Как и генератор постоянного тока, генератор переменного тока также имеет обмотку якоря и обмотку возбуждения. Но между ними есть одно важное различие.

В генераторе постоянного тока обмотка якоря размещена на роторе, чтобы обеспечить способ преобразования переменного напряжения, генерируемого в обмотке, в постоянное напряжение на клеммах с помощью вращающегося коммутатора.

Полевые столбы размещены на неподвижной части машины. Поскольку в генераторе переменного тока коммутатор не требуется, обычно удобнее и выгоднее размещать обмотку возбуждения на вращающейся части (т. е. роторе), а обмотку якоря — на неподвижной части (т. е. статоре).

Генератор переменного тока имеет 3-фазную обмотку на статоре и обмотку возбуждения постоянного тока на роторе. Этот источник постоянного тока (называемый возбудителем) обычно представляет собой небольшой шунт постоянного тока или составной генератор, установленный на валу генератора переменного тока.

Конструкция ротора бывает двух типов, а именно;

1. Тип выступающих (или выступающих) полюсов
2. Неявнополюсный (или цилиндрический) полюс

В генераторе переменного тока с явно выраженными полюсами выступающие или выступающие полюса монтируются на большой круглой стальной раме, которая крепится к валу генератора переменного тока.
В генераторе переменного тока с цилиндрическими полюсами ротор выполнен из гладкого сплошного радиального цилиндра из кованой стали, имеющего ряд пазов по внешней периферии.

Работа генератора переменного тока

Обмотка ротора питается от возбудителя постоянного тока, и на роторе образуются чередующиеся полюса N и S.