Принцип работы и устройство генератора: Устройство и принцип работы автомобильного генератора

Автомобильный генератор – устройство и принцип работы генератора двигателя автомобиля

к списку всех статей

22.08.2014

Автомобильный генератор – это источник электроэнергии и неотъемлемая часть устройства автомобиля. Принцип действия электрогенератора состоит в преобразовании механической энергии в электрическую. Генератор автомобиля является основной частью генераторной установки, которая также включает в себя регулятор напряжения.
Исправные автогенераторы осуществляют бесперебойную подачу тока, который необходим для работы большинства автомобильных компонентов-электропотребителей: системы зажигания, бортового компьютера и других. Одновременно с этим автомобильный генератор поддерживает заряд аккумуляторной батареи. Состояние и мощность генератора напрямую влияют на надежность автомобиля и его и эксплуатационные характеристики.

Устройство и принцип работы генератора
Автомобильный генератор работает по принципу преобразования механической энергии в электрическую: вращение коленчатого вала двигателя генератор преобразует в электрический ток.Это происходит благодаря явлению электромагнитной индукции, т.е. возникновению переменного электрического напряжения при изменении магнитного потока, протекающего сквозь замкнутый контур. В случае с автогенератором таким контуром выступает статор с медной обмоткой, внутри которого вращается ротор, представляющий собой магнит или совокупность магнитов.

Таким образом, основные элементы автогенератора – это статор, ротор и регулятор напряжения. В конструкции также присутствуют корпус из двух крышек, шкив для передачи энергии от двигателя посредством ремня генератора, диоды-выпрямители для преобразования переменного тока в постоянный,щеточный узел и другие вспомогательные элементы.
Статор -статичный элемент генератора, состоящий из замкнутого железного магнитопровода с пазами, внутри которых находится медная обмотка. Именно эта обмотка накапливает мощность автогенератора при вращении ротора.Ротор же представляет собой стальной вал с обмоткой возбуждения, в которой образуется магнитный поток, и двумя стальными втулками, которые подводят поток к обмотке статора.
При повороте ключа в замке зажигания к обмотке возбуждения подводится ток, который обеспечивает первоначальное возбуждение и приводит к образованию электромагнитного поля.Ротор вращается, получив привод от коленчатого вала двигателя с помощью ремня генератора, вращающего шкив. При вращении ротора магнитный поток в катушке попеременно меняет свое направление, так как напротив катушек оказываются то южный, то северный полюсы ротора. Вследствие этого внутри катушки возникает переменное напряжение, частота которого напрямую зависит от частоты вращения ротора и количества пар полюсов. Переменное напряжение с помощью выпрямителя преобразуется в постоянное, которое и подается к бортовой сети автомобиля.

Рекомендации по эксплуатации автогенератора
1. Устанавливая в свой автомобиль АКБ, или запуская двигатель от другого источника, убедитесь в том, что соблюдаете правильную полярность. В противном случае выйдет из строя выпрямитель автогенератора и возникнет угроза возгорания.
2. Необходимо отслеживать состояние электропроводки и состоянием контактов проводов, которые подходят к генератору автомобиля и регулятору напряжения. Слабый контакт может привести к образованию избыточного напряжения.
3. Стоит также следить за состоянием ремня генератора, так как в случае слабого натяжения генератор работает менее эффективно, в случае слишком тугого натяжения возможно разрушение подшипников.
4. Рекомендуем доверить установку генератора профессионалам из СТО во избежание возникновения непредвиденных проблем

Не упускайте важные события

к списку всех статей

Устройство, принцип действия и конструкция синхронного генератора, режимы работы

Синхронным генератором (СГ) называют устройство, выполняющее функцию трансформации механической энергии в электрическую. Принцип работы и устройство синхронного генератора достаточно просты и надежны. Такое энергетическое оборудование востребовано для использования в мобильных авторемонтных мастерских, для ремонта и обслуживания станков-качалок, спецмашин нефтегазовой отрасли, на ГЭС, ТЭС, АЭС, в транспортных системах.

Основные конструктивные элементы

Основные части синхронного генератора: неподвижная — статор, вращающаяся — ротор, представляющая собой электромагнит, и две основные обмотки.

1. Одна обмотка статора («обмотка возбуждения») запитывается от источника постоянного тока, функцию которого выполняет электронный регулятор напряжения. Регулятор используется в генераторах с самовозбуждением. Принцип самовозбуждения основан на том, что первоначальное возбуждение осуществляется с использованием остаточного магнетизма магнитопровода СГ. При этом энергия переменного тока поступает от обмотки статора СГ. Комплекс из понижающего трансформатора и полупроводникового выпрямителя-преобразователя трансформирует ее в энергию постоянного тока.
2. Ток, протекающий в обмотке возбуждения статора, наводит ЭДС на обмотке возбуждения якоря генератора. Статор возбудителя, как конструкционный элемент может отсутствовать, и тогда его функции выполняют постоянные магниты.
3. Обмотка ротора, в которой индуцируется ЭДС, называется обмоткой возбуждения якоря, или якорем возбудителя.
4. Переменное напряжение, возникающее на обмотке якоря возбудителя, выпрямляется в блоке вращающихся диодов, которые так же называются словосочетанием «диодный мост», и превращает силовую обмотку ротора во вращающийся электромагнит, который наводит ЭДС в силовой обмотке статора СГ.
5. Силовые обмотки и обмотки возбуждения монтируются в пазы якоря и ротора.
6. Генераторы по типу выходного напряжения делятся на одно-, или трехфазные. Основное распространение в промышленности имеют трехфазные синхронные генераторы, а в быту — однофазные.

В конструкцию статора входит корпус, внутри которого расположен сердечник, или пакет, собираемый из листов электротехнической стали особой формы. На качество электрического тока влияют такие факторы как: цельность листов в пакете (бывают цельными или составными), качество и материал обмотки. Для обмотки применяется медный эмаль-провод, а в дешевых устройствах возможна замена меди на алюминий.

Роторы изготавливаются явнополюсными или неявнополюсными.

• Явнополюсные роторы предназначены для синхронных генераторов, работающих с двигателями внутреннего сгорания с низкой частотой вращения — 1500 и 3000 об/мин.
• Неявнополюсные роторы востребованы в высокоскоростных (более 3000 об/мин) механизмах переменного электрического тока высокой мощности. Обычно их размещают на одном валу с паровыми турбинами. Такие СГ называют «турбогенераторы».

Определение скорости вращения

Понятие «синхронный» означает, что число оборотов находится в прямой математической зависимости от частоты тока. Эта зависимость определяется по формуле n = 60*f/p, где:

• n — скорость вращения, об/мин;
• f — частота, в бытовой электрической сети она равна 50 Гц;
• p — количество пар полюсов.

Принцип работы СГ

Принцип действия машины в режиме синхронного генератора:

1. При пропускании через обмотку возбуждения постоянного тока образуется стабильное во времени магнитное поле с чередующейся полярностью.
2. При вращении магнитного поля относительно проводников обмотки якоря возбуждаются переменные ЭДС.
3. Переменные ЭДС суммируются, образуя ЭДС фаз. Трехфазная система образуется тремя одинаковыми обмотками, размещаемыми на якоре под электрическим углом друг к другу, равным 120°.

В случаях, если централизованное электроснабжение имеет недостаточную мощность или отсутствует, как, например, на удаленных стройплощадках, нефтегазодобывающих объектах, морских и воздушных судах, СГ в составе с двигателем внутреннего сгорания функционируют в автономном режиме. При необходимости создания мощных источников питания синхронные двигатели включают на параллельную работу. Такой способ включения позволяет более полно использовать мощность каждой машины и при необходимости выводить отдельные СГ в ремонт без прекращения эффективного электроснабжения потребителей.

Второй режим работы синхронной машины — выполнение функций электродвигателя. Обычно СГ востребован в качестве двигателя в высокомощных установках более 50 кВт. Для работы в режиме электродвигателя обмотку статора подключают к электросети, а обмотку ротора — к источнику постоянного тока. Вращающий момент возникает при взаимодействии вращающегося магнитного поля СГ с постоянным током обмотки возбуждения.

Устройство генератора переменного тока - принцип работы и общее назначение

Конструктивно, электрогенератор состоит из:

1. Токопроводящей рамки.
2. Магнитов.

Работает он следующим образом:

1. Токопроводящая рамка помещается в магнитное поле, созданное между полюсами магнитов. Ее концы снабжают контактными кольцами, которые также способны вращаться.
2. С помощью упругих токопроводящих пластинок (щеток), кольца соединяют с электрической лампочкой.
3. Рамка, вращаясь в магнитном поле, постоянно пересекает своими сторонами магнитные силовые линии.
4. Пересечение рамкой магнитных силовых линий вызывает возникновение ЭДС и получение индукционного тока.
5. Под действием полученного индукционного тока, лампочка начинает светиться. Свечение лампочки продолжается до тех пор, пока вращается рамка.

Один полный оборот рамки внутри магнитного поля приводит к тому, что возникающая ЭДС, дважды меняет свое направление, причем ее величина дважды увеличивается до максимального значения (проводники проходили под полюсами магнитов) и дважды была равна нулю (проводники двигались вдоль силовых линий магнитного поля).

Такое изменение ЭДС в процессе непрерывного вращения рамки вызывает в замкнутой электрической цепи постоянно изменяющийся по направлению и величине синусоидальный электрический ток, который в настоящее время называют переменным.

В современной энергетике используются индукционные генераторы переменного тока различного типа. При этом, принцип их действия одинаков и базируется на принципе электромагнитной индукции.

В общем виде, такие устройства представляют собой достаточно сложное изделие, состоящее из медной проволоки, и большого количества изоляционных и конструктивных материалов.

Устройство и принцип работы

Устройство

Любой генератор переменного тока состоит из:

1. Постоянного тока или электромагнита, который создает магнитное поле. С целью получения мощного магнитного потока, в генераторах устанавливают специальные магнитные системы из двух сердечников, которые изготавливаются из электротехнической стали.
2. Обмотки, в которой возникает переменная ЭДС. Обмотки, создающие магнитное поле, размещают в специальных пазах одного сердечника, а обмотки, в которых возникает ЭДС – в пазах другого.
3. Для подвода питающего напряжения и съема полученного переменного тока, используются контактные кольца и щетки. Эти детали изготавливаются из токопроводящих материалов. Сила тока в обмотках электромагнита, создающего магнитное поле значительно меньше той, которую генератор отдает во внешнюю цепь, поэтому генерируемое напряжение удобнее снимать с неподвижных обмоток, а через скользящие контакты подводить маломощное питающее напряжение.

В маломощных устройствах щетки и кольца используются значительно реже, так как в их конструкциях можно использовать вращающиеся постоянные магниты, которым подвод питающего напряжения не нужен.

Как правило:

1. Внутренний сердечник (ротор) вместе с обмоткой вращается вокруг своей оси.
2. Внешний сердечник (статор) неподвижен.
3. Зазор между ротором и статором должен быть минимальным – только тогда мощность потока магнитной индукции максимальна. При этом, магнитное поле создает неподвижный магнит, а обмотки, в которых создается ЭДС, вращаются.

Однако, в больших промышленных генераторах, внешний сердечник, создающий магнитное поле, вращается вокруг внутреннего, а обмотки, в которых индуцируется ЭДС, остаются неподвижными.

Во время работы, в обмотке ротора возникает ЭДС, амплитуда которой пропорциональна количеству витков. Кроме того, она пропорциональна и амплитуде переменного магнитного потока (через виток).

Принцип работы синхронного генератора:

Область применения

Повседневную жизнь человеческого общества невозможно представить без переменного тока. Его широкое использование связано с тем, что он обладает огромными преимуществами перед постоянным.

При этом, главным преимуществом является то, что напряжение и силу переменного тока можно легко и практически без потерь преобразовать в достаточно широких пределах.

Особенно, такое преобразование необходимо в случае передачи электроэнергии на большие расстояния. Электроэнергия обладает большими преимуществами перед другими видами энергии.

Ее можно передавать на большие расстояния с малыми потерями и достаточно легко распределять между потребителями. Кроме того, электроэнергия просто превращается в другие виды энергии (световая, тепловая, механическая и пр.).

Именно поэтому, генераторы переменного тока в современных условиях получили очень широкое применение. С их помощью вырабатывается электроэнергия, которая затем используется во всех отраслях промышленности, а также в быту и на всех видах транспорта.

Классификация

В связи с большим разнообразием генераторов, выпускаемых промышленностью различных стран, была разработана и достаточно обширная система их классификации.

Так, генераторы переменного тока различают по:

1. Виду.
2. Конструкции.
3. Способу возбуждения.
4. Количеству фаз.
5. Соединению фазных обмоток.

Электрогенераторы переменного тока бывают:

1. Асинхронными.  Изделия, в которых на вращающемся валу имеются пазы, предназначенные для размещения обмоток. Они генерируют электрический ток с небольшими искажениями, величина которого не превышает номинального значения. Изделия этого типа используются для электропитания бытовой техники.
2. Синхронными. Изделия, в которых катушки индуктивности размещены непосредственно на роторе. Они способны выдавать ток, который обладает высокой пусковой мощностью.

Генератор с неподвижным ротором

Конструктивно различают генераторы:

1. С неподвижным ротором.
2. С неподвижным статором

Конструкции с неподвижным статором получили наибольшее распространение благодаря тому, что отпадает необходимость в использовании контактных колец и плавающих щеток.

По способу возбуждения электрогенераторы бывают:

1. С независимым возбуждением (питающее напряжение подается на обмотку возбуждения от отдельного источника постоянного тока).
2. С самовозбуждением (обмотки возбуждения питаются выпрямленным (постоянным) током, получаемым от самого генератора).
3. С обмотками возбуждения, питание которых осуществляется от стороннего генератора постоянного тока малой мощности, “сидящего” на одном валу с ним.
4. С возбуждением от постоянного магнита.

По количеству фаз различают электрогенераторы:

1. Однофазные.
2. Двухфазные.
3. Трехфазные.

Наибольшее распространение получили трехфазные генераторы.

Это связано с наличием некоторых преимуществ, среди которых нужно отметить возможность беспроблемного получения:

1. Вращающегося кругового магнитного поля, что способствует экономичности их изготовления.
2. Уравновешенной системы, что существенно повышает срок службы энергоустановок.
3. Одновременно двух рабочих напряжений (фазного и линейного) в одной системе.
4. Высоких экономических показателей – значительно уменьшается материалоемкость силовых кабелей и трансформаторов, а также упрощается процесс передачи электроэнергии на большие расстояния.

Трехфазные генераторы отличаются электрическими схемами соединения фазных обмоток.

Бывает, что фазные обмотки соединяются:

1. “Звездой”.
2. “Треугольником”.

Описание схем

Для получения связанной трехфазной системы, обмотки электрогенератора нужно соединить между собой одним из двух способов:

“Звезда”

Соединение “звездой” предусматривает электрическое соединение концов всех обмоток в одной точке. Точка соединения называется “нулем”. При таком соединении нагрузка к генератору может быть подключена 3 или 4 проводами.

Провода, идущие от начала обмоток называются линейными, а провод, идущий от нулевой точки – нулевым. Напряжение между линейными проводами называют линейным.

Линейное напряжение больше фазного в 1,73 раза.

Напряжение между нулевым и любым из линейных проводов называется фазным. Фазные напряжения равны между собой и сдвинуты друг относительно друга на угол, который равен 120 градусов.

Особенностью схемы является также равенство линейных и фазных токов.

Наиболее распространена 4 проводная схема – соединение “звездой” с нейтральным проводом. Она позволяет избежать перекоса фаз в случае подключения несимметричной нагрузки, например, на одной фазе – включена активная нагрузка, а на другой – емкостная или реактивная. При этом, обеспечивается сохранность включенных электроприборов.

“Треугольник”

Соединение “треугольником” – это последовательное соединение обмоток трехфазного генератора: конец первой обмотки соединяется с началом второй, ее конец – с началом третьей, а конец последней – с началом первой.

В этом случае, линейные провода отводятся от точек соединения обмоток. При этом, линейное напряжение равно фазному, а величина линейного тока в 1,73 раза больше фазного.

Все упомянутые зависимости справедливы только при равномерной нагрузке фаз. При неравномерной нагрузке фаз, их необходимо пересчитывать аналитическими или графическими методами.

Практическое применение

Индукционные генераторы находят свое применение практически во всех областях жизнедеятельности человеческого общества.

Причем в любом случае, для получения переменного тока используется энергия вращения вала генератора.

Это касается:

1. Крупных гидро-, тепло-, и атомных электростанций.
2. Промышленных электрогенераторов.
3. Бытовых электрогенераторов.

Генераторы, устанавливаемые на электростанциях, вырабатывают большое количество электроэнергии, которая затем передается на огромные расстояния.

Они разрабатываются под конкретные, узкоспециализированные задачи и представляют собой сложнейшие устройства, для установки которых необходимо строить отдельные здания и сооружения. Кроме того, их работа обеспечивается специально организованной инфраструктурой.

Промышленные генераторы используются для обеспечения электроэнергией объектов, в работе которых не должно быть перебоев с подачей напряжения.

Кроме того, их используют для обеспечения электроэнергией строительных площадок, вахтовых поселков, удаленных ферм и буровых установок, находящихся в местах, где подводка стационарных линий электропередач невозможна или экономически нецелесообразна.

Как правило, для работы они используют дизельное топливо, вырабатывая при этом переменный ток большой мощности (220 или 380 В). Используются для этого синхронные генераторы, которые способны обеспечить работу промышленного оборудования большой мощности.

В дизельных установках, вал генератора вращается с помощью двигателя внутреннего сгорания (ДВС).

Электрогенератор на шасси

Все комплектующие изделия, входящие в состав промышленного генератора, монтируются на высокопрочных стальных шасси, которое при необходимости устанавливается:

1. Теплоизолированным контейнером.
2. Передвижным шасси (колесное, на полозьях).

Бытовые электрогенераторы приобрели большую популярность сравнительно недавно.

Они используются для электрификации небольших коттеджей, загородных домов и дач, а также помогают решить ряд проблем, связанных с некорректной работой централизованной электросети и часто применяются в качестве аварийных источников переменного тока на ранее электрифицированных объектах подобного типа.

В устройствах этого типа для вращения вала генератора используют как бензиновые, так и дизельные ДВС. Они вырабатывают переменный ток небольшой мощности (от 0,5 до 15 кВт) и отличаются:

1. Экономичностью.
2. Небольшими размерами.
3. Низким уровнем шума.

При выборе бытового генератора переменного тока, потенциальному потребителю необходимо обращать внимание на:

1. Тип ДВС (бензиновый или дизельный).
2. Заявленную в сопроводительной документации мощность.
3. Тип генератора (синхронный или асинхронный).
4. Фазность.
5. Блок управления.
6. Уровень шума.

Устройство и принцип работы дизельного генератора

Чтобы преобразовать механическую энергию (двигателя внутреннего сгорания, ветрового двигателя, турбины) в электрическую энергию (постоянного или переменного тока), необходим генератор. Основные части генератора – неподвижный якорь (статор) и приводимый во вращение первичным двигателем с высоким постоянством числа оборотов индуктор (ротор) с питаемой постоянным током обмоткой возбуждения.

Ротор электромашины переменного тока может вращаться с частотой магнитного поля или отставать от него (вращаться с меньшей скоростью). В первом случае машина относится к синхронным, во втором к асинхронным. Синхронная электрическая машина, работающая в генераторном режиме, называется синхронным генератором. Синхронный генератор обратим, т.е. при подключении якорной обмотки к трехфазной электросети он работает как электродвигатель.
Принцип работы синхронного генератора

При вращении ротора синхронного генератора (СГ) линии его магнитного поля пересекают обмотку статора. Магнитное поле ротора создается независимым возбудителем, в качестве которого может служить аккумулятор или дополнительный генератор постоянного тока с напряжением обычно не выше 150 В, а также ртутные, полупроводниковые (селеновые или германиевые) или механические выпрямители.

Возможно и обратное решение (применяемое обычно в малогабаритных передвижных установках переменного тока) – вращение ротора в неподвижном магнитном поле, при этом вырабатываемый в обмотках ротора переменный ток необходимо снимать с ротора через коллектор. Вырабатываемая СГ электродвижущая сила (ЭДС) пропорциональна магнитной индукции, длине паза статора, числу витков в обмотке статора, внутреннему диаметру статора и частоте вращения магнитного поля. Изменение ЭДС синхронного генератора возможно путем регулирования тока в обмотке возбудителя реостатом или системой автоматического регулирования.

Частота вращения магнитного поля равна скорости вращения ротора, а частота вырабатываемого переменного напряжения пропорциональна частоте вращения магнитного поля и количеству пар полюсов статора. В качестве примера, при заданной частоте СГ 50 Гц при числе пар полюсов 1 ротор должен вращаться со скоростью 3000 об/мин, а при числе пар 2 – со скоростью 1500 об/мин и т.д.

Для поддержания постоянства частоты вырабатываемого СГ переменного напряжения скорость вращения первичного двигателя поддерживается постоянной посредством автоматического регулятора скорости.

Обычно от СГ требуется выработка напряжения порядка 15-40 кВ, снять такое напряжение с вращающегося коллектора сложно, и обмотки якоря, с которого снимается вырабатываемая электрическая энергия, выгодно сделать неподвижными. Мощность же возбуждения СГ обычно составляет 1-3% и не превышает 5% мощности СГ; подать эту мощность на вращающийся ротор не составляет проблемы.

При мощности СГ до нескольких киловатт магнитное поле ротора может обеспечиваться постоянными магнитами (самыми современными, неодимовыми), что позволяет обойтись без коллектора и токосъемника. При этом, ввиду невозможности регулирования магнитного потока ротора, выходное напряжение СГ неизменно и не поддается регулированию, либо же с регулированием возникают сложности. Мощность современного синхронного генератора достигает нескольких Гвт и выше.

 

Виды синхронных генераторов

Генераторы разделяются по способу возбуждения. Самый простой способ, не требующий дополнительного источника питания для возбуждения статора – это использование самовозбуждения за счет остаточного намагничивания сердечника ротора даже при отсутствии в обмотках ротора тока возбуждения. При вращении ротора слабый остаточный магнитный поток ротора вызывает образование в обмотках ротора небольшой ЭДС, которая отбирается понижающим трансформатором, выпрямляется и через коллектор подается в обмотку возбуждения, что увеличивает магнитный поток, ЭДС генератора и дальнейшее развитие процесса самовозбуждения, вплоть до выхода на нормальный режим работы. Подобная схема с самовозбуждением успешно применяется в автономных установках наземного, водного и воздушного транспорта.

Если применяется тиристорное устройство регулирования тока возбуждения, появляется возможность автоматического регулирования выходного напряжения СГ (поддержания его постоянства или изменения по определенному закону в зависимости от величины и характера нагрузки). Возможно также возбуждение ротора от дополнительного генератора (подвозбудителя), имеющего общий вал с основным генератором или соединенного с валом СГ посредством полумуфты.

 

Устройство синхронного генератора

Статор СГ по устройству схож с устройством статора асинхронного двигателя. Сердечник статора, в пазах которого размещается обмотка, собран из спрессованных в виде пакета пластин электротехнической стали толщиной 1-2 мм, разделенных изолирующей пленкой лака толщиной 0,08-0,1 мм.

Синхронный генератор может вырабатывать переменный ток однофазный или, чаще всего, трехфазный. К обмотке статора подключается нагрузка.

Конструктивно полюсы статора могут быть выступающими (как в тихоходных СГ со скоростью вращения не выше 1000 об/мин, вращаемых гидротурбинами), либо же не выражаться явно (как в скоростных машинах).

Синхронный генератор обратим – он может не только вырабатывать переменный ток (режим генератора), но и совершать механическую работу (режим двигателя).

Для охлаждения ротора в конструкции СГ предусмотрены крыльчатки на общем с ротором валу. Прежде чем поступить в СГ для охлаждения обмоток, воздух пропускается через фильтр, если же система охлаждения замкнута, он дополнительно охлаждается в теплообменнике. В качестве охлаждающего агента, помимо воздуха, применяется и водород ввиду своей легкости.

Концы обмоток СГ выводятся на контактную колодку, что позволяет соединить обмотки трехфазного СГ по схеме звезды или треугольника.

При необходимости получения синусоидального напряжения на выходе к форме явно выраженных полюсных наконечников предъявляются определенные требования, либо необходимо (при неявно выраженных полюсах) расположить витки роторной обмотки по особому закону.

 

Режимы работы синхронного генератора

Синхронный генератор может работать в режиме холостого хода, при отсутствии токов в обмотке якоря, и тогда вырабатываемое напряжение задается лишь током возбуждения.

При подключении к СГ потребителя через обмотку якоря начинают протекать токи, и создаваемое ими магнитное поле складывается с полем ротора. Ток в якорной обмотке при чисто активной нагрузке (нагревательные элементы, лампочки накаливания) совпадает по фазе с ЭДС, при индуктивной (асинхронные электродвигатели, дроссели, трансформаторы) отстает, а при емкостной (батареи конденсаторов, корректоры коэффициента мощности, высоковольтные ЛЭП) опережает. При активной нагрузке создаваемый в статоре дополнительный магнитный поток перпендикулярен потоку ротора, и ЭДС генератора, определяемая суммарным потоком, возрастает.

Реактивная нагрузка ведет к отклонению направлений потоков от перпендикулярности, вследствие несовпадения фаз тока якорной обмотки и ЭДС, и при емкостной нагрузке ЭДС генератора увеличивается еще выше, поскольку направление потоков начинает совпадать (вызывается продольно-намагничивающая реакция), а при индуктивной нагрузке к снижению ЭДС вследствие встречного направления потоков (вызывается продольно-размагничивающая реакция). Наиболее часто встречается смешанная активно-индуктивная нагрузка.

Чтобы устранить воздействие реакции якоря на ЭДС генератора, предусматривается регулирование возбуждения ротора с целью поддержания ЭДС на должном уровне с исключением ее зависимости от мощности и вида нагрузки. Также, для устранения колебаний при резкой смене режима работы СГ, помимо основной обмотки возбудителя, наматывается еще и демпферная (успокаивающая) катушка, особо полезная при совместной работе нескольких СГ на общую сеть. Поскольку нагрузка СГ не остается постоянной и время от времени меняется, существует необходимость постоянного регулирования тока возбуждения, что осуществляется автоматическими системами регулирования.

При нормальной работе СГ допустимы некоторые отклонения коэффициентов мощности нагрузки, напряжения и частоты в пределах нескольких процентов от номинальных значений. При нарушениях в линии нагрузки (коротких замыканиях, непостоянстве отбираемой мощности, неравномерном распределении нагрузки между фазами), возникает асимметрия выходного напряжения СГ, форма напряжения искажается и отклоняется от синусоидальной, что может приводить к перегреву обмоток и элементов конструкции генератора. Также, к искажениям формы ЭДС генератора ведет нелинейность нагрузки (подключенные к сети выпрямители, инверторы).

При работе СГ важно следить за расходом охлаждающей воды, автоматика должна предупреждать персонал при снижении расхода путем включения сигнализации, и при резком падении расхода приступить к разгрузке генератора с последующим отключением в течение нескольких минут.

Работа нескольких синхронных генераторов на общую сеть

Параллельная работа нескольких СГ необходима для полного использования их мощности, позволяет создавать мощные источники питания, а также периодически выводить на профилактику или в ремонт один из генераторов.

При параллельной работе нескольких СГ требуется строгое постоянство вырабатываемой каждым из них частоты, с высоким поддержанием постоянства скорости их вращения.

При включении в сеть еще одного СГ требуется равенство его напряжения напряжению сети с постоянством частоты, фазы и чередования фаз. Лишь при совпадении этих условий при включении СГ в сеть не будет толчков тока и опасных для обмоток уравнительных токов.

Синхронизация осуществляется посредством специальных устройств – синхроскопов, наиболее простыми из которых является ламповые, позволяющие по характеру свечения ламп синхроскопа определить с достаточной для практики точностью момент совпадения напряжения подключаемого генератора и сети по частоте, фазе и порядку чередования фаз.

 

 

Генератор постоянного тока. Принцип работы, применение.

Современные условия развития производственной сферы предполагают использование большого количества электроэнергии в различных ее видах. Как правило, мы слышим о широком распространении и востребованности переменного тока, однако, во многих сферах используется и постоянный.

Для его получения используется особый вид энергогенерирующего оборудования – генератор постоянного тока. Данное устройство строится на принципе преобразования механической энергии в электрическую.

Как и другим источникам энергии, генератору постоянного тока свойственны такие основные характеристики, как:

• Номинальное напряжение;
• Номинальный ток;
• Мощность;
• Частота вращения.

В частности, показатели мощности таких установок могут очень существенно колебаться и находятся в диапазоне от нескольких КВт до 10 МВт.

Устройства данного типа, в свою очередь, подразделяются на 2 основные группы в зависимости от способа возбуждения:

• Генераторы с независимым возбуждением;
• Генераторы с самовозбуждением.

В первом случае обмотка возбуждения питается от посторонних источников энергии в виде вспомогательных генераторов или аккумуляторов. Также при небольших мощностях в качестве источника питания используется магнитоэлектрический принцип.

Во втором случае обмотка питается от энергии, вырабатываемой самим генератором.

Устройство генератора постоянного тока

Принципом, на котором основывается работа генератора постоянного тока, является электромагнитная индукция и устройство самой установки включает в себя несколько основных узлов.

• Неподвижная индуктирующая часть;
• Вращающаяся индуктируемая часть – якорь.

Неподвижная часть включает главные и дополнительные полюса, а также станину. Полюса представляют собой стальные сердечники с размещенными на них катушками с обмоткой возбуждения, как правило, из медного провода.

Вращающийся якорь включает стальной сердечник с медной обмоткой и коллектор.

Впоследствии при работе установки постоянный ток проводится через обмотку возбуждения и происходит образование магнитного потока полюсов.

Обе части генератора объединяются в одну цепь при помощи специальных неподвижных щеток из графита или графитного сплава.

Применение генераторов постоянного тока в жизни

Во многих сферах промышленности широко используются источники постоянного тока, что обусловлено особенностями технологического процесса и на сегодня является безальтернативным вариантом.

В частности, востребованы генераторы постоянного тока в электролизной промышленности, металлургии. Кроме того, часто такие установки применяют на судах, тепловозах, трамваях и в других направлениях транспортной сфере.

В металлургии установки постоянного тока необходимы для использования в работе прокатных станов.

Принцип работы автомобильного генератора, схема

Генератор — один из главных элементов электрооборудования автомобиля, обеспечивающий одновременное питание потребителей и подзаряд аккумуляторной батареи.

Принцип действия устройства построен на превращении механической энергии, которая поступает от мотора, в напряжение.

В комплексе с регулятором напряжения узел называется генераторной установкой.

В современных автомобилях предусмотрен агрегат переменного тока, в полной мере удовлетворяющий всем заявленным требованиям.

Устройство генератора

Элементы источника переменного тока спрятаны в одном корпусе, который также является основой для статорной обмотки.

В процессе изготовления кожуха применяются легкие сплавы (чаще всего алюминия и дюрали), а для охлаждения предусмотрены отверстия, обеспечивающие своевременный отвод тепла от обмотки.

В передней и задней части кожуха предусмотрены подшипники, к которым и крепится ротор — главный элемент источника питания.

В кожухе помещаются почти все элементы устройства. При этом сам корпус состоит из двух крышек, расположенных с левой и с правой стороны — около приводного вала и контрольных колец соответственно.

Две крышки объединяются между собой с помощью специальных болтов, изготовленных из алюминиевого сплава. Этот металл отличается незначительной массой и способностью рассеивать тепло.

Не менее важную роль играет щеточный узел, передающий напряжение на контактные кольца и обеспечивающий работу узла.

Изделие состоит из пары графитных щеток, двух пружин и щеткодержателя.

Также уделим внимание элементам, расположенным внутри кожуха:

• Ротор — стальной элемент, имеющий одну обмотку и, по сути, представляющий собой электромагнит. Ротор находится на валу, а сверху обмотки установлены втулки клювообразной формы. Ток подается с помощью медных колец, которые расположены на валу и объединены с обмоткой через специальные щетки.
• Обмотка — устройство, изготовленное из медной проволоки и закрепленное в пазы сердечника. Сам сердечник выполнен в форме окружности и изготавливается с применением специального материала, обладающего улучшенными магнитными качествами. В электротехнике металл носит название «трансформаторное железо». У статора есть три обмотки, связанные между собой и объединенные в звезду или треугольник. В точке объединения установлен диодный мост, обеспечивающий выпрямление напряжения. Обмотка изготовлена из специальной проволоки, имеющей двойную термоустойчивую изоляцию, покрытую специальным лаком.
• Реле-регулятор — ключевой элемент установки, обеспечивающий стабильное напряжение на выходе устройства. Монтаж регулятора может производиться в кожухе генератора или снаружи. В первом случае он находится возле графитных щеток, а во втором — там, где щетки крепятся к щеткодержателю (но в разных моделях авто монтаж может осуществляться по-разному). Ниже представлены реле-регуляторы с щеточным узлом.
• Выпрямительный мост — элемент, предназначенный для преобразования переменного тока на выходе статора в постоянное напряжение. Выпрямитель состоит из трех пар диодов, которые установлены на токопроводящем основании и попарно объединяются друг с дружкой. В среде автовладельцев и мастеров СТО диодный мост часто называется «подковой» из-за схожести с этим предметом.

Какие требования предъявляются к автомобильному генератору?

К генераторной установке автомобиля выдвигается ряд требований:

• Напряжение на выходе устройства и, соответственно, в бортовой сети должно поддерживаться в определенном диапазоне, вне зависимости от нагрузки или частоты вращения коленвала.
• Выходные параметры должны иметь такие показатели, чтобы в любом из режимов работы машины АКБ получала достаточное напряжение заряда.

При этом каждый автовладелец должен особое внимание уделять уровню и стабильности напряжения на выходе. Это требование вызвано тем, что аккумулятор чувствителен к подобным изменениям.

Например, в случае снижения напряжения ниже нормы АКБ не заряжается до необходимого уровня. В итоге возможны проблемы в процессе пуска мотора.

В обратной ситуации, когда установка выдает повышенное напряжение, аккумулятор перезаряжается и быстрее ломается.

Полезно почитать: Взорвался аккумулятор, причины и что делать.

Принцип работы автомобильного генератора, особенности схемы

Принцип действия генераторного узла построен на эффекте электромагнитной индукции.

В случае прохождения магнитного потока через катушку и его изменения, на выводах появляется и меняется напряжение (в зависимости от скорости изменения потока). Аналогичным образом работает и обратный процесс.

Так, для получения магнитного потока требуется подать на катушку напряжение.

Выходит, что для создания переменного напряжения требуются две составляющие:

• Катушка (именно с нее снимается напряжение).
• Источник магнитного поля.

Не менее важным элементом, как отмечалось выше, является ротор, выступающий в роли источника магнитного поля.

У полюсной системы узла присутствует остаточный магнитный поток (даже при отсутствии тока в обмотке).

Этот параметр небольшой, поэтому способен вызвать самовозбуждение только на повышенных оборотах. По этой причине по обмотке ротора пропускают сначала небольшой ток, обеспечивающий намагничивание устройства.

Упомянутая выше цепочка подразумевает прохождение тока от АКБ через лампочку контроля.

Главный параметр здесь — сила тока, которая быть в пределах нормы. Если ток будет завышенным, аккумулятор быстро разрядится, а если заниженным — возрастет риск возбуждения генератора на ХХ мотора (холостых оборотах).

С учетом этих параметров подбирается и мощность лампочки, которая должна составлять 2-3 Вт.

Как только напряжение достигает требуемого параметра, лампочка гаснет, а обмотки возбуждения питаются от самого автомобильного генератора. При этом источник питания переходит в режим самовозбуждения.

Снятие напряжения производится со статорной обмотки, которая выполнена в трехфазном исполнении.

Узел состоит 3-х индивидуальных (фазных) обмоток, намотанных по определенному принципу на магнитопроводе.

Токи и напряжения в обмотках смещены между собой на 120 градусов. При этом сами обмотки могут собираться в двух вариантах — «звездой» или «треугольником».

Если выбрана схема «треугольник», фазные токи в 3-х отмотках будут в 1,73 раза меньше, чем общий ток, отдаваемый генераторной установкой.

Вот почему в автомобильных генераторах большой мощности чаще всего применяется схема «треугольника».

Это как раз объясняется меньшими токами, благодаря которым удается намотать обмотку проводом меньшего сечения.

Такой же провод можно использовать и в соединениях типа «звезда».

Чтобы созданный магнитный поток шел по назначению, и направлялся к статорной обмотке, катушки находятся в специальных пазах магнитопровода.

Из-за появления магнитного поля в обмотках и в статорном магнитопроводе, появляются вихревые токи.

Действие последних приводит к нагреву статора и снижению мощности генератора. Для уменьшения этого эффекта при изготовлении магнитопровода применяются стальные пластины.

Выработанное напряжение поступает в бортовую сеть через группу диодов (выпрямительный мост), о котором упоминалось выше.

После открытия диоды не создают сопротивления, и дают току беспрепятственно проходить в бортовую сеть.

Но при обратном напряжении I не пропускается. Фактически, остается только положительная полуволна.

Некоторые производители автомобилей для защиты электроники меняют диоды на стабилитроны.

Главной особенностью деталей является способность не пропускать ток до определенного параметра напряжения (25-30 Вольт).

После прохождения этого предела стабилитрон «пробивается» и пропускает обратный ток. При этом напряжение на «плюсовом» проводе генератора остается неизменным, что не несет риски для устройства.

К слову, способность стабилитрона поддерживать на выводах постоянное U даже после «пробоя» применяется в регуляторах.

В результате после прохождения диодного моста (стабилитронов) напряжение выпрямляется, становится постоянным.

У многих типов генераторных установок обмотка возбуждения имеет свой выпрямитель, собранный из 3-х диодов.

Благодаря такому подключению, протекание тока разряда от АКБ исключено.

Диоды, относящиеся к обмотке возбуждения, работают по аналогичному принципу и питают обмотку постоянным напряжением.

Здесь выпрямительное устройство состоит из шести диодов, три их которых являются отрицательными.

В процессе работы генератора ток возбуждения ниже параметра, который отдает автомобильный генератор.

Следовательно, для выпрямления тока на обмотке возбуждения достаточно диодов с номинальным током до двух Ампер.

Для сравнения силовые выпрямители имеют номинальный ток до 20-25 Ампер. Если требуется увеличить мощность генератора, ставится еще одно плечо с диодами.

Режимы работы

Чтобы разобраться в особенностях функционирования автомобильного генератора, важно понять особенности каждого из режимов:

• В процессе пуска двигателя главным потребителем электрической энергии выступает стартер. Особенностью режима является создание повышенной нагрузки, что приводит к уменьшению напряжения на выходе АКБ. Как следствие, потребители берут ток только с аккумулятора. Вот почему при таком режиме батарея разряжается с наибольшей активностью.
• После завода двигателя автомобильный генератор переходит в режим источника питания. С этого момента устройство дает ток, который необходим для питания нагрузки в автомобиле и подзаряда АКБ. Как только аккумулятор набирает требуемую емкость, уровень зарядного тока снижается. При этом генератор продолжает играть роль главного источника питания.
• После подключения мощной нагрузки, например, кондиционера, обогрева салона и прочих, скорость вращения ротора замедляется. В этом случае автомобильный генератор уже не способен покрыть потребности автомобиля в токе. Часть нагрузки перекладывается на АКБ, который работает в параллель с источником питания и начинает постепенно разряжаться.

Регулятор напряжения — функции, типы, контрольная лампа

Ключевым элементом генераторной установки является регулятор напряжения — устройство, поддерживающее безопасный уровень U на выходе статора.

Такие изделия бывают двух типов:

• Гибридные — регуляторы, электрическая схема которых включает в себя как электронные приборы, так и радиодетали.
• Интегральные — устройства, в основе которых лежит тонкопленочная микроэлектронная технология. В современных автомобилях наибольшее распространение получил именно этот вариант.

Не менее важный элемент — контрольная лампа, смонтированная на приборной панели, по которой можно делать вывод о наличии проблем с регулятором.

Зажигание лампочки в момент пуска мотора должно быть кратковременным. Если же она горит постоянно (когда генераторная установка в работе), это свидетельствует о поломке регулятора или самого узла, а также необходимости ремонта.

Тонкости крепления

Фиксация генераторной установки производится при помощи специального кронштейна и болтового соединения.

Сам узел крепится в передней части двигателя, благодаря специальным лапам и проушинам.

Если на автомобильном генераторе предусмотрены специальные лапы, последние находятся на крышках мотора.

В случае применения только одной фиксирующей лапы, последняя ставится только на передней крышке.

В лапе, установленной в задней части, как правило, предусмотрено отверстие с установленной в нем дистанционной втулкой.

Задача последней заключается в устранении зазора, созданного между упором и креплением.

Крепление генератора Audi A8.

А так агрегат крепиться на ВАЗ 21124.

Неисправности генератора и способы их устранения

Электрооборудование автомобиля имеет свойство ломаться. При этом наибольшие проблемы возникают с АКБ и генератором.

В случае выхода из строя любого из этих элементов эксплуатация ТС в нормальном режиме работы становится невозможной или же авто оказывается вовсе обездвиженным.

Все поломки генератора условно делятся на две категории:

• Механические. В этом случае проблемы возникают целостностью корпуса, пружин, ременным приводом и прочими элементами, которые не связаны с электрической составляющей.
• Электрические. Сюда относятся неисправности диодного моста, износ щеток, замыкание в обмотках, поломки реле регулятора и прочие.

Теперь рассмотрим список неисправностей и симптомы более подробно.

1. На выходе недостаточный уровень зарядного тока:

• Пробуксовка приводного ремня. Решение — натянуть ремень и проверить подшипники на факт исправности, симптомы – свист ремня генератора.
• Зависание щеток. Для начала стоит вычистить щеткодержатель и щетки от загрязнений и убедиться в достаточности усилия.
• Обрыв цепочки возбуждения, подгорание контактных колес. Первая проблема решается путем поиска и устранения обрыва, а вторая — посредством зачистки и проточки контактных колец (если это требуется).
• Выход из строя регулятора напряжения.
• Задевание ротором статорного полюса.
• Обрыв цепочки, объединяющий генератор и АКБ.

2. Вторая ситуация.

Когда автомобильный генератор выдает необходимый уровень тока, но АКБ все равно не заряжается.

Причины могут быть разными:

• Низкое качество протяжки контакта «массы» между регулятором и основным узлом. В этом случае проверьте качество контактного соединения.
• Выход из строя реле напряжения — проверьте и поменяйте его.
• Износились или зависли щетки — замените или очистите от грязи.
• Сработало защитное реле регулятора из-за наличия замыкания на «массу». Решение — отыскать место повреждения и убрать проблему.
• Прочие причины — замасливание контактов, поломка регулятора напряжения, витковое замыкание в обмотках статора, плохое натяжение ремня.

3. Генератор работает, но издает повышенный шум.

Вероятные неисправности:

• Замыкание между витками статора.
• Износ места для посадки подшипника.
• Послабление шкивной гайки.
• Разрушение подшипника.

Ремонт генератора автомобиля всегда должен начинаться с точной диагностики проблемы, после чего причина устраняется путем профилактических мер или замены вышедшего из строя узла.

Рекомендации по замене

Практика эксплуатации показывает, что поменять автомобильный генератор несложно, но для решения задачи требуется соблюдать ряд правил:

• Новое устройство должно иметь аналогичные токоскоростные параметры, как и у заводского узла.
• Энергетические показатели должны быть идентичными.
• Передаточные числа у старого и нового источника питания должны совпадать.
• Устанавливаемый узел должен подходить по размерам и с легкостью крепится к мотору.
• Схемы нового и старого автомобильного генератора должны быть одинаковыми.

Учтите, что устройства, смонтированные на автомобилях зарубежного производства, фиксируются не так, как отечественного, к примеру, как на генератор TOYOTA COROLLA и Лада Гранта .Следовательно, если менять иностранный агрегат изделием отечественного производства, придется установить новое крепление.

Полезные советы в помощь

В завершение рассказа об автомобильных генераторах стоит выделить ряд советов, что необходимо, а чего нельзя делать автовладельцам в процессе эксплуатации.

Главный момент — установка, в процессе которой важно с предельным вниманием подойти к подключению полярности.

Если ошибиться в этом вопросе, выпрямительное устройство поломается и возрастает риск возгорания.

Аналогичную опасность несет и пуск двигателя при некорректно подключенных проводах.

Чтобы избежать проблем в процессе эксплуатации, стоит придерживаться ряда правил:

• Следите за чистотой контактов и контролируйте исправность электрической проводки автомобиля. Отдельное внимание уделите надежности соединения. В случае применения плохих контактных проводов уровень бортового напряжения выйдет за допустимый предел.
• Следите за натяжкой генератора. В случае слабого натяжения источник питания не сможет выполнять поставленные задачи. Если же перетянуть ремень, это чревато быстрым износом подшипников.
• Отбрасывайте провода от генератора и АКБ при выполнении электросварочных работ.
• Если контрольная лампочка загорается и продолжает гореть после пуска мотора, выясните и устраните причину.

Отдельное внимание стоит уделить реле-регулятору, а также проверке напряжения на выходе источника питания. В режиме заряда этот параметр должен быть на уровне 13,9-14,5 Вольт.

Кроме того, время от времени проверяйте износ и достаточность усилия щеток генератора, состояние подшипников и контактных колец.

Высота щеток должна измеряться при демонтированном держателе. Если последний износился до 8-10 мм, требуется замена.

Что касается усилия пружин, удерживающих щетки, оно должно быть на уровне 4,2 Н (для ВАЗ). При этом осматривайте контактные кольца — на них не должно быть следов масла.

Также автовладелец должен запомнить и ряд запретов, а именно:

• Не оставляйте машину с подключенной АКБ, если имеются подозрения поломки диодного моста. В противном случае аккумулятор быстро разрядится, и возрастает риск воспламенения проводки.
• Не проверяйте правильность работы генератора путем перемыкания его выводов или отключения АКБ при работающем двигателе. В этом случае возможна поломка электронных элементов, бортового компьютера или регулятора напряжения.
• Не допускайте попадания технических жидкостей на генератор.
• Не оставляйте включенным узел в случае, если клеммы АКБ были сняты. В противном случае это может привести к поломке регулятора напряжения и электрооборудования авто.
• Своевременно проводите замену ремня генератора.

Зная особенности работы генератора, нюансы его конструкции, основные неисправности и тонкости ремонта, можно избежать многих проблем с проводкой и АКБ.

Помните, что генератор — сложный узел, требующий особого подхода к эксплуатации.

Важно постоянно следить за ним, своевременно проводить профилактические мероприятия и замену деталей (при наличии такой необходимости).

При таком подходе источник питания и сам автомобиль прослужат очень долго.

Генератор — устройство и принцип работы, типы и основные характеристики.

Это устройство, которое механическую энергию вращения двигателя преобразует в электрическую. В зависимости от назначения генератора применяются асинхронные и синхронные альтернаторы 1-но или 3-х фазного исполнения.

Синхронные альтернаторы отличаются более высоким качеством вырабатываемой электроэнергии и способностью выдерживать 3-х кратные мгновенные перегрузки. Они построены конструктивно сложнее асинхронных: например, у них на роторе находятся обмотки.

Асинхронные альтернаторы дешевле и устроены гораздо проще синхронных: их ротор напоминает обычный маховик, но качество генерируемого электричества невысокое. Если к генератору с таким генератором подключается электродвигатель с большими пусковыми токами (холодильник, насос, электроинструмент), то нужно делать соответственный запас по мощности выбираемого генератора с асинхронным генератором, который не переносит пиковых перегрузок. Асинхронные применяются только в некоторых переносных моделях, в профессиональных и стационарных устанавливаются только синхронные.

Альтернаторы

Однофазный малой мощности
Мощный трёхфазный

Частота выходного напряжения генератора зависит от частоты вращения приводного двигателя, которая в свою очередь зависит от величины нагрузки и от количества полюсов альтернатора. Чем больше нагрузка, тем меньше частота вращения двигателя и, соответственно, меньше частота выходного напряжения. Чтобы частота вырабатываемой электроэнергии не выходила за пределы, определенные ГОСТом, применяются регуляторы оборотов двигателя.

Частота вращения двигателя стабилизируется двумя видами регуляторов:

• механическими, которые настроены таким образом, что при нагрузке 75-90% частота выходного напряжения равна 50 Гц. Соответственно, на более малых нагрузках (10-30 % от номинала генератора) частота напряжения будет в пределах 52-53 Гц;
• электронными, предназначенными поддерживать постоянную частоту 50 Гц вне зависимости от суммарной нагрузки на двигатель. Генераторы с электронной стабилизацией частоты вращения двигателя стоят дороже обычных с механическим регулятором.

Силовая часть альтернатора и цепи нагрузки комплектуется автоматами защиты или трёхполюсными переключателями-автоматами с ручным или электрическим приводом. Напряжение можно снимать либо через вмонтированные в распределительный щит розетки (на маломощных генераторах), либо через клеммные выводы.

Генератор

| Encyclopedia.com

Принцип работы

Генераторы переменного тока

Коммерческие генераторы

Генераторы постоянного тока

Ресурсы

Генератор - это машина, с помощью которой механическая энергия преобразуется в электрическую. Генераторы можно разделить на две основные категории в зависимости от того, является ли производимый ими электрический ток переменным (AC) или постоянным (DC) током. Оба типа генераторов работают по одному и тому же основному принципу, хотя детали их конструкции различаются.Генераторы также можно классифицировать по источнику механической энергии (или первичному двигателю), которым они приводятся, например, по мощности воды или пара.

Научный принцип, на котором работают генераторы, был открыт почти одновременно примерно в 1831 году английским химиком и физиком Майклом Фарадеем (1791–1867) и американским физиком Джозефом Генри (1797–1878). Представьте, что катушка с проволокой помещена в магнитное поле, а концы катушки прикреплены к некоторому электрическому устройству, например, измерителю тока.Если катушка вращается в магнитном поле, измеритель тока показывает, что в катушке наведен ток. Величина индуцированного тока зависит от трех факторов: силы магнитного поля, длины катушки и скорости, с которой катушка движется в поле.

На самом деле, не имеет значения, вращается ли катушка в магнитном поле или магнитное поле заставляет вращаться вокруг катушки. Важным фактором является то, что провод и магнитное поле движутся по отношению друг к другу.Как правило, большинство генераторов постоянного тока имеют стационарное магнитное поле и вращающуюся катушку, в то время как большинство генераторов переменного тока имеют стационарную катушку и вращающееся магнитное поле.

В электрическом генераторе вышеупомянутый измеритель тока должен быть заменен каким-либо электрическим устройством. Например, в автомобиле электрический ток от генератора используется для управления фарами, автомобильным радиоприемником и другими электрическими системами в автомобиле

. Концы катушки прикрепляются не к гальванометру, а к контактным кольцам или собирающим кольцам.Каждое контактное кольцо, в свою очередь, прикреплено к щетке, через которую электрический ток передается от контактного кольца во внешнюю цепь.

Когда металлическая катушка проходит через магнитное поле в генераторе, вырабатываемая электрическая мощность постоянно изменяется. Сначала генерируемый электрический ток движется в одном направлении (слева направо). Затем, когда катушка достигает положения, параллельного магнитным силовым линиям, ток вообще не возникает. Позже, когда катушка продолжает вращаться, она прорезает магнитные силовые линии в противоположном направлении, и генерируемый электрический ток распространяется в противоположном направлении (справа налево).

Таким образом, вращающаяся катушка в фиксированном магнитном поле описанного здесь типа будет производить переменный ток, который течет в одном направлении в течение некоторого момента времени, а затем в противоположном направлении в следующий момент времени. Скорость, с которой ток переключается вперед и назад, называется его частотой. Например, ток, используемый для большинства бытовых устройств, составляет 60 герц (60 циклов в секунду).

КПД генератора можно повысить, заменив описанную выше проволочную катушку якорем.Якорь состоит из цилиндрического железного сердечника, вокруг которого намотан длинный кусок проволоки. Чем длиннее кусок провода, тем больший электрический ток может генерировать якорь.

Одним из наиболее важных практических применений генераторов является производство большого количества электроэнергии для промышленного и бытового использования. Двумя наиболее распространенными первичными двигателями, используемыми в генераторах переменного тока, являются вода и пар. Оба этих первичных двигателя могут приводить в движение генераторы на очень высоких скоростях вращения, при которых они работают наиболее эффективно, обычно не менее 1500 оборотов в минуту.

Гидроэлектроэнергия (энергия, обеспечиваемая проточной водой, как в больших реках) является особенно привлекательным источником энергии, поскольку ее производство ничего не стоит. Однако у него есть недостаток, заключающийся в том, что необходимо строить довольно прочные надстройки, чтобы использовать механическую энергию движущейся воды и использовать ее для приведения в действие генератора.

Промежуточным устройством, необходимым для выработки гидроэлектроэнергии, является турбина. Турбина состоит из большого центрального вала, на котором установлен ряд лопаток в форме вентилятора.Когда движущаяся вода ударяется о лопасти, она

КЛЮЧЕВЫЕ УСЛОВИЯ

Переменный ток —Электрический ток, который течет сначала в одном направлении, затем в другом; сокращенно AC.

Якорь - Часть генератора, состоящая из железного сердечника, вокруг которого намотана проволока.

Коммутатор - Разъемное кольцо, которое служит для изменения направления электрического тока в генераторе на противоположное.

Постоянный ток (DC) —Электрический ток, который всегда течет в одном и том же направлении.

Первичный двигатель —Источник энергии, приводящий в действие генератор.

Контактное кольцо - устройство в генераторе, которое обеспечивает соединение между якорем и внешней цепью.

заставляет центральный вал вращаться. Если центральный вал затем присоединяется к очень большому магниту, он заставляет магнит вращаться вокруг центрального якоря, генерируя электричество, которое затем может передаваться для промышленных и жилых помещений.

Электрогенерирующие установки также обычно работают на пару.На таких установках сжигание угля, нефти или природного газа или энергия, полученная из ядерного реактора, используется для кипячения воды. Произведенный таким образом пар затем используется для привода турбины, которая, в свою очередь, приводит в движение генератор.

Генератор переменного тока может быть модифицирован для производства электроэнергии постоянного тока (DC). Для замены требуется коммутатор. Коммутатор - это просто контактное кольцо, разрезанное пополам, причем обе половины изолированы друг от друга. Щетки, прикрепленные к каждой половине коммутатора, расположены так, что в момент изменения направления тока в катушке они скользят от одной половины коммутатора к другой.Следовательно, ток, который течет во внешнюю цепь, всегда течет в одном и том же направлении.

См. Также Электромагнитное поле; Электрический ток; Электроснабжение; Эффект Фарадея.

КНИГИ

Маколей, Дэвид и Нил Ардли. Как все устроено . Бостон: Компания Houghton Mifflin, 2004.

Гросс, Чарльз А. Электрические машины. Нью-Йорк: CRC, 2006.

Дэвид Э. Ньютон

Как работает генератор для дома? | Генератор Суперцентр

Сетевое электричество работает большую часть времени.Но, по данным Statista, в США индекс надежности составляет всего 98,6 из 100, уступая таким странам, как Южная Корея, Финляндия, Гонконг и Бельгия, что делает генераторы для всего дома необходимыми.

Но что это такое и как они работают?

Что такое генератор для дома?

Генератор для дома - это устройство, использующее принципы электромагнитной индукции для локального производства электроэнергии. Он использует портативный источник топлива (обычно дизельное топливо) для вращения катушки между полюсами магнита, генерируя электрический ток.

Электрогенераторы для дома обычно имеют широкий диапазон выходной мощности и могут легко вырабатывать достаточно энергии, чтобы поддерживать работу даже самых требовательных бытовых приборов. В то время как в прошлом наиболее распространенными были дизельные генераторы для всего дома, теперь производители делают варианты, совместимые с бензином, сжиженным нефтяным газом и природным газом, для снижения выбросов и меньшего загрязнения. Вы также можете подключить их к возобновляемым источникам энергии, таким как турбины на солнечных батареях, ветряные турбины и батареи.

Все генераторы для дома предлагают определенный уровень мобильности, при этом некоторые поставщики поставляют изделия с колесами и ручками, позволяющими перемещать их между местоположениями. Традиционно генераторы шумели, как двигатели грузовиков. Но технологии постоянно совершенствуются, и теперь домовладельцы могут держать генераторы поблизости, и шумовое загрязнение не становится серьезной проблемой. Инженеры также улучшают гашение вибрации своих агрегатов, предотвращая раздражающее урчание во время работы.

Как работает генератор для всего дома?

Практически все имеющиеся в продаже электрогенераторы для дома работают по принципу электромагнитной индукции.Хотя методы строительства в некоторой степени различаются, основная физика остается неизменной.

Внутри любого домашнего генератора есть проводящая катушка, состоящая из медной катушки, намотанной на металлический сердечник. В совокупности инженеры называют эту конструкцию арматурой. Этот компонент устанавливается на оси, а затем проходит между полюсами подковообразного магнита.

Без внешнего источника энергии установка не будет производить ток. Однако, когда вы вращаете якорь с помощью двигателя, происходит что-то волшебное - электричество пытается замкнуть цепь.Линии магнитного поля между двумя магнитными полюсами мешают электронам в проводнике, вызывая поток электричества, обеспечивающий достаточное количество энергии для всех ваших домашних устройств.

Компоненты домашнего генератора

Давайте подробнее рассмотрим компоненты домашнего генератора и то, как все они сочетаются друг с другом.

Двигатель

Все электрические генераторы требуют какого-либо механического воздействия для вращения якоря. Вы можете добиться этого напрямую, используя естественные средства, такие как ветряная мельница, но большинство домашних генераторов предпочитают градуированный и надежный двигатель в качестве источника энергии.

Размер двигателя определяет выходную мощность генератора. Чем больше механической энергии он выдает, тем больше электроэнергии может произвести весь генераторный агрегат. Как правило, в домашних генераторах используются двигатели меньшего размера, чем в промышленных моделях.

Двигатели бывают двух типов:

1. Верхний клапан
2. Неподвижный клапан

В двигателях с верхним расположением клапанов впускные и выпускные клапаны двигателя расположены в головке цилиндров двигателя.В типах клапанов без верхних клапанов они устанавливаются на блок цилиндров.

Когда дело доходит до выбора генератора для дома, это различие имеет значение. Конструкции с верхним расположением клапанов имеют множество преимуществ по сравнению со стандартами без накладных расходов, включая более низкий уровень шума, меньшее количество выбросов и более компактную конструкцию. Однако цена в целом выше.

Гильзы цилиндров в двигателях генератора имеют большое значение. В идеале вам нужна чугунная футеровка втулки, поскольку это снижает износ и увеличивает долговечность.Но вам нужно будет уточнить эту спецификацию у производителя. Он есть не у всех генераторов.

Генератор

Генератор переменного тока имеет такое же назначение, что и генератор в вашем автомобиле. Он забирает механическую энергию от двигателя и преобразует ее в электрическую энергию, которую вы можете использовать в своем доме. Он включает в себя узел якоря, который мы обсуждали выше, вырабатывающий электричество за счет электромагнитной индукции (и связанных с ней процессов).

Генератор переменного тока является важным компонентом генераторов, поэтому покупатели должны уделять ему особое внимание.

Например, генераторы переменного тока

бывают разных материалов корпуса. Пластиковые корпуса недороги, но со временем они могут деформироваться. Цельнометаллические версии стоят дороже, но обычно служат дольше.

Генераторы

также бывают щеточного и бесщеточного форматов. Щеточные версии используют щетки для передачи электричества в цепь, в то время как бесщеточные используют наборы роторов, которые вращаются вместе, передавая энергию между собой. Из-за отсутствия трения бесщеточные двигатели обычно более эффективны и надежны.

Наконец, вы также захотите рассмотреть подшипники, которые использует генератор переменного тока. Игольчатые подшипники экономичны, но служат не так долго, как традиционные шарикоподшипники.

Регулятор напряжения

Стабилизатор напряжения - еще один важный компонент генераторов для дома. Его цель - определить разность потенциалов системы, чтобы все ваши приборы и оборудование получали оптимальный уровень электроэнергии.

Итак, что делает этот конкретный компонент?

Что ж, эту концепцию может быть немного сложно понять.Но важно помнить, что регулирование напряжения - это циклический процесс, который включает переключение между электрическими состояниями для достижения равновесия.

Первой задачей регулятора напряжения является преобразование переменного напряжения двигателя в постоянное. Затем он подает этот ток в обмотку возбудителя, чтобы произвести переменный ток. Затем этот выход проходит через вращающиеся выпрямители, преобразуя его обратно в постоянный ток. Эта энергия передается якорю, чтобы создать постоянный ток. Затем якорь преобразует его в напряжение переменного тока, завершая цикл.

По мере того, как генератор раскручивается, его выходная мощность увеличивается, а генерация постоянного тока снижается. Этот процесс позволяет генератору в любой момент времени выдавать точный тип и силу тока, который требуется вашему дому, точно так же, как от сети.

Охлаждение

Современные генераторы содержат множество движущихся частей, включая двигатели, которые во время работы быстро нагреваются. Поэтому генераторам, как и автомобилям и мотоциклам, нужны системы охлаждения.

В некоторых крупных генераторах в качестве охлаждающей жидкости статора используется водород из-за его высокой эффективности поглощения энергии.Петли соединяют его с вторичным контуром охлаждения, содержащим дистиллированную воду, которая затем отводит тепло от устройства через традиционные радиаторы.

Однако в большинстве бытовых условий в качестве основной системы охлаждения используются стандартные радиаторы с установленными вентиляторами. Обычно жидкости не нужны. Они считаются устройствами с воздушным охлаждением и похожи на двигатель мотоцикла.

Если в генераторе действительно используется система жидкостного охлаждения, владельцы должны регулярно проверять состояние насоса и жидкости.Жидкости следует заменять примерно через 25 дней кумулятивной работы.

Учитывая, что домашним генераторам требуется воздух для передачи избыточной энергии в окружающую среду, и производители, и регулирующие органы настаивают на том, чтобы вы оставляли не менее трех футов свободного пространства со всех сторон.

Выхлопные системы

Когда двигатель генератора сжигает топливо, он выделяет выхлопные газы, как и в обычном автомобильном двигателе. Выхлопная система передает эти газы в безопасное место во внешнюю среду, прежде чем выпустить их.Попадание газов в любую из ваших комнат может быть потенциально смертельным, поскольку они содержат окись углерода.

Генераторы обычно выпускают газы по металлическим трубам через наружный дымоход. Трубы должны быть отдельно стоящими и не поддерживаться самим генератором. Они также должны быть соединены с двигателем с помощью гибких трубок, поглощающих вибрации.

Место размещения выхлопных газов зависит от местного законодательства, поэтому перед началом строительства уточните свои планы у официальных лиц.

Панель управления

Все современные генераторы

имеют панели управления - интерактивные дисплеи, на которых отображаются данные и элементы управления для вашего устройства. Они предлагают такие функции, как запуск и выключение, измерители тока, напряжения и рабочей частоты, а также другие элементы управления для переключения между ручным и автоматическим переключением мощности.

Как работают автоматические переключатели резерва

Автоматический переключатель резерва - это умное устройство, которое включает ваш генератор в момент отключения электросети в вашем доме.

Вот что происходит в простом пошаговом процессе:

1. Безобрывный переключатель круглосуточно контролирует подачу электроэнергии в ваш дом.
2. Если он обнаруживает прерывание в сети, он отправляет сигнал на запуск генератора.
3. Когда двигатель и якорь набирают нужную скорость, передаточный переключатель отключает линию электроснабжения и размыкает линию питания от генератора
4. Теперь дом начинает получать электроэнергию, произведенную генератором
5. Пока генератор работает, переключатель передачи продолжает контролировать линию электроснабжения.Если он обнаруживает восстановление питания, он выключит генератор и вернется к электросети.
6. Если передаточный переключатель обнаружит возобновление подачи электроэнергии от электросети и переключает линию обратно, он продолжит работу генератора в режиме «охлаждение». вниз »для безопасного завершения работы

Завершение

Электрогенераторы полезны для домов во время перебоев в подаче электроэнергии. Они позволяют держать свет включенным, даже когда весь район отключен. Они особенно полезны в удаленных районах, где восстановление электроснабжения затруднено, и в регионах, пострадавших от урагана.

Знание того, как работают генераторы для дома, облегчает совершение разумной покупки. Эта статья научила вас, на какие функции следует обратить внимание и как, потратив немного больше на устройство, часто можно получить доступ к более качественным компонентам.

Генератор переменного тока

- обзор

I Начало HVDC

Использование постоянного тока для передачи электроэнергии восходит к 1880-м годам, на заре электроэнергетики, когда между Томасом Эдисоном и его сторонниками на стороне колодцев разгорелся спор. проверенная технология постоянного тока и Джордж Вестингауз и его сторонники на стороне новой технологии переменного тока.Последний был основан на многих новаторских идеях, в частности Никола Тесла.

Хотя в течение короткого периода 1880-х и 1890-х годов между переменным током и постоянным током велась борьба по принципу «все или ничего», она никогда не сводилась к полному переходу на переменный ток; по той же причине постоянный ток никогда не будет играть доминирующую роль в передаче энергии. Каждый из них имеет свои уникальные преимущества в зависимости от области применения. Изобретения в технологии переменного тока, такой как двигатели переменного тока, генераторы переменного тока и трансформаторы, были поистине революционными.Генераторы и двигатели переменного тока оказались экономичными и более надежными, чем генераторы и двигатели постоянного тока, но изобретением, ответственным за победу переменного тока, стал трансформатор, дешевое и надежное оборудование. Как по волшебству, кусок стали и проволоки, грубо говоря, мог преобразовывать мощность переменного тока с одного уровня напряжения на другой.

В конце концов, переменный ток выиграл, в первую очередь потому, что тогда при низких напряжениях постоянный ток не мог эффективно передаваться на большие расстояния. Незадолго до рубежа веков переменный ток был выбран для использования энергии на Ниагарском водопаде, потому что постоянный ток не мог экономично передаваться в Буффало, находящийся всего в 22 милях от него.Одна из основных причин нынешнего использования постоянного тока, или HVDC, как его еще называют, заключается в том, что теперь его можно передавать более экономично, чем переменный ток на большие расстояния. Чтобы оценить масштабы передачи HVDC, необходимо понять технологические причины этого изменения.

Подумайте о сегодняшней электрической системе. Электроэнергия переменного тока, генерируемая при низком напряжении, скажем, от 20 до 30 кВ, преобразуется в более высокие напряжения (сотни киловольт) для межсоединений и передачи в центры нагрузки; затем он понижается до уровня субпередачи вблизи городов, затем до десятков киловольт в распределительных сетях городских территорий; и, наконец, оно снижается до менее 10 кВ на углах улиц и до 230/110 В для домашнего использования.Это сделано для того, чтобы питание могло быть доставлено пользователю безопасным способом и по низкой цене. Трансформатор позволил дешево передавать электроэнергию по межсетевым соединениям, а также объединять электростанции и передавать их продукцию на значительные расстояния.

Фактом было и остается то, что передача энергии из одного места в другое по линии передачи, независимо от уровня мощности, дешевле и эффективнее для постоянного тока, чем для переменного тока. Если бы мощность могла быть преобразована с высокого напряжения переменного тока в высоковольтный постоянный ток и обратно в переменный ток удобно и экономично, тогда HVDC можно было бы использовать для передачи энергии.

Многие новаторские шаги были предприняты в начале двадцатого века во Франции, Англии, Германии и США с использованием вращающихся преобразователей, а затем и термоэмиссионных клапанов. В 1926 году между Механиквиллем и Скенектади, штат Нью-Йорк, была проложена 17-мильная линия электропередачи HVDC, передающая 5,25 МВт при 30 кВ, соединяющая системы переменного тока 40 и 60 Гц с помощью электронных клапанов. Важные эксперименты продолжались в Германии, Швейцарии и Швеции до и во время Второй мировой войны с целью улучшения преобразовательной технологии, особенно с использованием ртутных дуговых клапанов.В случае Германии была построена экспериментальная система передачи 15 МВт на 100 кВ; Предполагалось, что это будет прототип системы мощностью 60 МВт, 400 кВ с протяженностью передачи 110 км. Эта деятельность была прервана в конце войны. Затем Швеция под руководством Уно Ламма, считающегося отцом HVDC, положила начало современной эре HVDC, создав первую в мире коммерческую систему передачи HVDC, схему Готланда, для передачи 20 МВт при 100 кВ на расстояние 100 км. подводного кабеля; эта передача не могла быть достигнута с ac.Схема Готланда была основана на высоковольтных ртутных дуговых клапанах с использованием калибровочных электродов, запатентованных Uno Lamm, и только одного кабеля с обратным током через землю. На основе этой шведской преобразовательной технологии по всему миру было установлено несколько схем HVDC; главным из них был Pacific DC Intertie - 850 миль, протяженность 1440 МВт и работающий при напряжении ± 400 кВ, - который был задействован в 1971 году для передачи гидроэлектроэнергии с тихоокеанского северо-запада на тихоокеанский юго-запад.

Вскоре появилось новое устройство, называемое кремниевым выпрямителем (SCR), теперь известное как тиристор, устройство на твердотельной кремниевой микросхеме, изобретенное в Соединенных Штатах.Значительный прогресс в области тиристорного устройства и клапана HVDC за счет использования последовательно соединенных тиристоров привел к последнему и наиболее необходимому направлению в технологии HVDC: снижению затрат и повышению надежности.

Технология HVDC, как она сейчас известна, представляет собой звено, соединяющее две или более подстанции переменного тока через преобразователи и линии постоянного тока (рис. 1). Мощность преобразуется из переменного тока в постоянный или из постоянного в переменный по мере необходимости, при этом мощность передается по линиям постоянного тока. Линия передачи постоянного тока может быть воздушной линией, подземным кабелем или подводным кабелем или любой их комбинацией.Фактически, в некоторых случаях может не быть никакой линии передачи. Такая связь называется связкой «спина к спине»; Цель такой связи, которая включает только преобразователи, состоит в том, чтобы соединить две или более системы переменного тока, которые не могут быть соединены другим способом с помощью переменного тока.

РИСУНОК 1. Концепция передачи электроэнергии постоянного тока высокого напряжения (HVDC). (а) Двухполюсная схема. (б) Трехполюсная схема.

Реально говоря, HVDC не полностью заменит передачу переменного тока, но нет сомнений в том, что он будет играть важную роль для коммунальных предприятий, которые постоянно стремятся использовать энергию с наименьшими затратами.

Чтобы прояснить широко используемую технологию преобразователя для систем HVDC: каждый преобразователь имеет возможность передавать мощность от переменного тока к постоянному, в этом случае он работает как выпрямитель, и он также может передавать мощность с постоянного тока на переменный ток, и в этом случае он работает как инвертор. Один и тот же преобразователь с полным регулированием угла открытия заслонок может работать как выпрямитель или как инвертор; рабочий режим просто зависит от угла открытия клапанов преобразователя.

Основная информация о генераторе - Power Products

Этот глоссарий терминов относится к электричеству и производителям энергии.

Q1: Как вырабатывается электроэнергия?

A: Энергетическое тело вращается двигателем для выработки электроэнергии

Это мало чем отличается от эксперимента в научном классе, где электричество генерировалось с помощью катушки и магнита. Фактически, при перемещении магнита рядом с катушкой генерируется электричество из-за явления, называемого «электромагнитной индукцией». В основном этот процесс происходит и в случае с генератором. На основе этого принципа при использовании двигателя для вращения компонента, называемого энергогенерирующим телом, вырабатывается переменный ток.

Q2: В чем разница между «постоянным током» и «переменным током»?

A: Поток электричества отличается

Существует два вида электрического тока: постоянный и переменный. В случае постоянного тока напряжение обычно постоянно, но переменный ток характеризуется изменением напряжения во времени. Постоянный ток хранится и может использоваться в сухих элементах и ​​батареях, тогда как переменный ток может быть преобразован и предлагает отличную универсальность для использования в электропитании бытовой техники.

Q3: Что означают «напряжение (В, вольт)», «ток (А, ампер)» и «мощность (Вт, ватт)?»

A: Важные элементы, составляющие электричество

Электричество часто сравнивают с потоком воды. Представьте себе текущую реку. Чем больше разница между высотой реки вверх и вниз по течению, тем больше импульс воды; и чем шире река, тем больше воды впадает в бассейн.В этом отношении «напряжение» (В, вольт) соответствует разнице в высоте, а «ток» (А, амперы) соответствует ширине реки. Поскольку «мощность» (Вт, ватты) - это скорость работы в единицу времени, ее можно представить как количество воды, которое переместилось от верхнего к нижнему потоку за заданное время. Эту мощность можно определить, умножив напряжение и ток.

Q4: В чем разница между W (ватт) и VA («V – A»)?

A: разница между потребляемой мощностью и выходной мощностью

Вт (Вт): мощность, потребляемая используемым оборудованием (потребляемая мощность)
ВА («В – А»): выходная электрическая мощность от генератора (выработка электроэнергии)

Q5: Что произойдет с электрооборудованием, если будет выбран неподходящий генератор?

A: использование становится невозможным

Если потребляемая мощность превышает номинальную выходную мощность генератора, подача питания автоматически прекращается из-за перегрузки.Поэтому использование электрооборудования становится невозможным.

Глоссарий, который может понадобиться знать

Инвертор

Аппарат для преобразования постоянного тока в переменный. В инверторном генераторе, после временного преобразования переменного тока в постоянный, инвертор снова преобразует его в переменный ток.

Открытого типа / звуконепроницаемого типа

Генератор типа, в котором двигатель, являющийся источником шума, снабжен крышкой и известен как генератор звукоизоляционного типа, тогда как генератор открытого типа называется генератором открытого типа.

Параллельный ход

Две модели, «EF2000iS» и «EF2400iS», могут работать параллельно, подключив две идентичные модели параллельно с помощью специального кабеля для увеличения выходной мощности. Это дает преимущество, заключающееся в том, что в зависимости от требуемой мощности можно выборочно использовать один или два устройства.

Разница между электродвигателем и генератором

5 мая 2012 г. Автор: Admin

Электродвигатель против генератора

Электричество стало неотъемлемой частью нашей жизни; более или менее весь наш образ жизни основан на электрическом оборудовании.Энергия преобразуется из многих форм в форму электрической энергии для питания всех этих устройств. Электродвигатель - это устройство, преобразующее механическую энергию в электрическую. С другой стороны, устройства используются для преобразования электрической энергии в механическую по мере необходимости. Мотор - это устройство, которое выполняет эту функцию.

Подробнее об электрическом генераторе

Фундаментальный принцип работы любого электрического генератора - закон электромагнитной индукции Фарадея.Идея, сформулированная в этом принципе, заключается в том, что при изменении магнитного поля в проводнике (например, проволоке) электроны вынуждены двигаться в направлении, перпендикулярном направлению магнитного поля. Это приводит к возникновению давления электронов в проводнике (электродвижущей силы), что приводит к потоку электронов в одном направлении. Говоря более технически, скорость изменения магнитного потока через проводник во времени индуцирует в проводнике электродвижущую силу, и ее направление задается правилом правой руки Флеминга.Это явление в основном используется для производства электроэнергии.

Чтобы добиться этого изменения магнитного потока через проводящий провод, магниты и проводящие провода перемещаются относительно друг друга, так что магнитный поток изменяется в зависимости от положения. Увеличивая количество проводов, можно увеличить результирующую электродвижущую силу; поэтому провода намотаны в катушку, содержащую большое количество витков. Установка либо магнитного поля, либо катушки во вращательное движение, в то время как другое неподвижное, позволяет непрерывно изменять магнитный поток.

Вращающаяся часть генератора называется ротором, а неподвижная часть - статором. Часть генератора, генерирующая ЭДС, называется якорем, а магнитное поле - просто полем. Якорь может использоваться как статор или как ротор, в то время как компонент поля является другим. Увеличение напряженности поля также позволяет увеличить наведенную ЭДС.

Поскольку постоянные магниты не могут обеспечить интенсивность, необходимую для оптимизации выработки энергии генератором, используются электромагниты.Через эту цепь возбуждения протекает намного меньший ток, чем через цепь якоря, и меньший ток проходит через контактные кольца, которые поддерживают электрическую связь в ротаторе. В результате большинство генераторов переменного тока имеют обмотку возбуждения на роторе, а статор - в качестве обмотки якоря.

Подробнее об электродвигателе

Принцип, используемый в двигателях, является еще одним аспектом принципа индукции. Закон гласит, что если заряд движется в магнитном поле, сила действует на заряд в направлении, перпендикулярном как скорости заряда, так и магнитному полю.Тот же принцип применяется к потоку заряда, это ток и проводник, по которому проходит ток. Направление этой силы задается правилом правой руки Флеминга. Простой результат этого явления состоит в том, что если ток течет по проводнику в магнитном поле, проводник перемещается. Все асинхронные двигатели работают по этому принципу.

Как и генератор, двигатель также имеет ротор и статор, где вал, прикрепленный к ротору, передает механическую энергию. Таким же образом на систему влияет количество оборотов катушек и сила магнитного поля.

В чем разница между электродвигателем и электрогенератором? • Генератор преобразует механическую энергию в электрическую, а двигатель преобразует механическую энергию в электрическую. • В генераторе вал, прикрепленный к ротору, приводится в движение механической силой, и в обмотках якоря создается электрический ток, в то время как вал двигателя приводится в движение магнитными силами, возникающими между якорем и полем; на обмотку якоря должен подаваться ток. • Двигатели (обычно движущийся заряд в магнитном поле) подчиняются правилу левой руки Флеминга, в то время как генератор подчиняется правилу левой руки Флеминга.

Как работает ветряная турбина

От огромных ветряных электростанций, вырабатывающих электроэнергию, до небольших турбин, питающих один дом, ветровые турбины по всему миру вырабатывают чистую электроэнергию для различных энергетических нужд.

В США ветряные турбины становятся обычным явлением.С начала века общая мощность ветроэнергетики в США увеличилась более чем в 24 раза. В настоящее время в США достаточно ветроэнергетических мощностей для выработки электроэнергии, достаточной для питания более 15 миллионов домов, что помогает проложить путь к экологически чистой энергии будущего.

Что такое ветряная турбина?

Идея использования энергии ветра для выработки механической энергии восходит к тысячелетиям. Еще в 5000 году до нашей эры египтяне использовали энергию ветра для передвижения лодок по реке Нил.Американские колонисты использовали ветряные мельницы для измельчения зерна, перекачивания воды и распиловки древесины на лесопилках. Сегодняшние ветряные турбины - это современный эквивалент ветряной мельницы, преобразующий кинетическую энергию ветра в чистую возобновляемую электроэнергию.

Как работает ветряная турбина?

Большинство ветряных турбин состоит из трех лопастей, установленных на башне из стальных труб. Реже встречаются варианты с двумя лопастями, с бетонными или стальными решетчатыми башнями. На высоте 100 футов или более над землей башня позволяет турбине использовать преимущества более высоких скоростей ветра, обнаруживаемых на больших высотах.

Турбины улавливают энергию ветра с помощью лопастей, похожих на пропеллер, которые действуют как крыло самолета. Когда дует ветер, с одной стороны лезвия образуется карман с воздухом низкого давления. Затем воздушный карман низкого давления притягивает к себе лезвие, вызывая вращение ротора. Это называется лифтом. Сила подъемной силы намного сильнее, чем сила ветра на передней стороне лопасти, что называется сопротивлением. Комбинация подъемной силы и сопротивления заставляет ротор вращаться как пропеллер.

Ряд шестерен увеличивают вращение ротора с примерно 18 оборотов в минуту до примерно 1800 оборотов в минуту - скорость, которая позволяет генератору турбины вырабатывать электричество переменного тока.

Обтекаемый корпус, называемый гондолой, содержит ключевые компоненты турбины - обычно включая шестерни, ротор и генератор - находятся внутри корпуса, называемого гондолой. Некоторые гондолы, расположенные на вершине турбинной башни, достаточно велики, чтобы на них мог приземлиться вертолет.

Еще одним ключевым компонентом является контроллер турбины, который не позволяет скорости ротора превышать 55 миль в час, чтобы избежать повреждения сильным ветром.Анемометр непрерывно измеряет скорость ветра и передает данные контроллеру. Тормоз, также расположенный в гондоле, останавливает ротор механически, электрически или гидравлически в аварийных ситуациях. Изучите интерактивный рисунок выше, чтобы узнать больше о механике ветряных турбин.

Типы ветряных турбин

Есть два основных типа ветряных турбин: с горизонтальной осью и с вертикальной осью.

Большинство ветряных турбин имеют горизонтальную ось: конструкция в виде пропеллера с лопастями, вращающимися вокруг горизонтальной оси.Турбины с горизонтальной осью расположены либо против ветра (ветер ударяет лопасти перед башней), либо по ветру (ветер бьет в башню перед лопастями). Турбины против ветра также включают в себя привод рыскания и двигатель - компоненты, которые поворачивают гондолу, чтобы ротор был обращен к ветру при изменении его направления.

Хотя существует несколько производителей ветряных турбин с вертикальной осью, они не проникли на рынок коммунальных услуг (мощностью 100 кВт и более) в той же степени, что и турбины с горизонтальным доступом.Турбины с вертикальной осью делятся на две основные конструкции:

• Турбины с тормозным механизмом, или турбины Савониуса, обычно имеют роторы со сплошными лопастями, которые вращаются вокруг вертикальной оси.
• Лифтовые турбины, или турбины Дарье, имеют высокий вертикальный аэродинамический профиль (некоторые имеют форму взбивания яиц). Windspire - это тип лифтовой турбины, которая проходит независимые испытания в Национальном центре ветроэнергетики Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии.

Применение ветряных турбин

Ветровые турбины

используются в различных сферах - от использования морских ветровых ресурсов до выработки электроэнергии для одного дома:

• Большие ветряные турбины, чаще всего используемые коммунальными предприятиями для подачи энергии в сеть, варьируются от 100 киловатт до нескольких мегаватт.Эти турбины для коммунальных предприятий часто объединяются в ветряные электростанции для производства большого количества электроэнергии. Ветряные электростанции могут состоять из нескольких или сотен турбин, обеспечивающих мощность, достаточную для десятков тысяч домов.
• Небольшие ветряные турбины мощностью до 100 киловатт обычно устанавливаются рядом с местами, где будет использоваться вырабатываемая электроэнергия, например, возле домов, телекоммуникационных тарелок или водонасосных станций. Небольшие турбины иногда подключаются к дизельным генераторам, батареям и фотоэлектрическим системам.Эти системы называются гибридными ветровыми системами и обычно используются в удаленных, автономных местах, где нет подключения к коммунальной сети.
• Морские ветряные турбины используются во многих странах, чтобы использовать энергию сильных, постоянных ветров, возникающих у береговых линий. Потенциал технических ресурсов ветров над прибрежными водами США достаточен для выработки более 4000 гигаватт электроэнергии, что примерно в четыре раза превышает генерирующую мощность нынешних США.электроэнергетическая система. Хотя не все эти ресурсы будут освоены, это дает большую возможность обеспечить энергией густонаселенные прибрежные города. Чтобы воспользоваться преимуществами огромных морских ветровых ресурсов Америки, Департамент инвестирует в три демонстрационных проекта оффшорной ветроэнергетики, предназначенных для развертывания морских ветровых систем в федеральных водах и водах штата к 2017 году.

Будущее ветряных турбин

Для обеспечения будущего роста США ветроэнергетика, ветровая программа Министерства энергетики работает с отраслевыми партнерами, чтобы повысить надежность и эффективность ветряных турбин, а также снизить затраты.Исследования, проводимые в рамках программы, помогли увеличить средний коэффициент использования мощности (показатель производительности электростанции) с 22 процентов для ветряных турбин, установленных до 1998 года, до более чем 32 процентов для турбин, установленных в период с 2006 по 2012 годы. от 55 центов за киловатт-час (кВтч) в 1980 году до менее 6 центов за киловатт-час сегодня в районах с хорошими ветровыми ресурсами.

Ветряные турбины предлагают уникальную возможность использовать энергию в регионах, где население нашей страны нуждается в ней больше всего.Это включает в себя потенциал оффшорного ветра для обеспечения энергией населенных пунктов вблизи береговой линии и способность наземного ветра доставлять электроэнергию в сельские общины с несколькими другими местными источниками энергии с низким содержанием углерода.

Министерство энергетики продолжает работу по развертыванию ветровой энергии в новых районах на суше и на море и обеспечению стабильной и безопасной интеграции этой энергии в электрическую сеть нашей страны.

Экологически чистый генератор энергии на основе движущегося жидкого диэлектрика и эффекта двойного слоя

• Chang, C., Тран, В. Х., Ван, Дж., Фух, Ю.-К. И Линь Л. Пьезоэлектрический полимерный наногенератор с прямой записью и высокой эффективностью преобразования энергии. Nano Lett 10, 726–731 (2010).

  CAS ОБЪЯВЛЕНИЯ Статья Google ученый

• Park, K. I. et al. Высокоэффективный гибкий пьезоэлектрический тонкопленочный наногенератор PZT на пластиковых подложках. Adv Mater 26, 2514–2520 (2014).

  CAS Статья Google ученый

• Лей, Дж.и другие. Гибкий пьезоэлектрический наногенератор на pn переходе Cu2O-ZnO для сбора энергии. RSC Adv 5, 59458–59462 (2015).

  CAS Статья Google ученый

• Siddiqui, S. et al. Высокопроизводительный гибкий бессвинцовый нанокомпозитный пьезоэлектрический наногенератор для сбора и хранения биомеханической энергии. Nano Energy 15, 177–185 (2015).

  CAS Статья Google ученый

• Мао, Ю.и другие. Губчатые пьезоэлектрические полимерные пленки для масштабируемых и интегрируемых наногенераторов и автономных электронных систем. Adv Energy Mater 4, 1301624 (2014).

  Артикул Google ученый

• Zhang, H. et al. Трибоэлектрический наногенератор для сбора энергии вибрации во всем пространстве и в качестве автономного датчика ускорения. Adv Funct Mater 24, 1401–1407 (2014).

  CAS Статья Google ученый

• Линь, З.-H., Cheng, G., Lin, L., Lee, S. & Wang, Z. L. Контактная электрификация воды и твердой поверхности и ее использование для сбора энергии жидких волн. Angew Chem. 125, 12777–12781 (2013).

  Артикул Google ученый

• Lin, Z.H. et al. Многослойный трибоэлектрический наногенератор на основе встречных электродов для гидроэнергетики. Nano Energy 15, 256–265 (2015).

  CAS Статья Google ученый

• Сакане, Ю., Сузуки, Ю. и Касаги, Н. Разработка высокоэффективного перфторированного полимерного электрета и его применение в микрогенерации электроэнергии. J. Micromech Microeng 18, 104011 (2008).

  ADS Статья Google ученый

• Despesse, G. et al. Электростатическая система с высоким демпфированием для поглощения энергии вибрации, Труды совместной конференции 2005 года по интеллектуальным объектам и окружающему интеллекту: инновационные контекстно-зависимые услуги: использование и технологии, Нью-Йорк, США, стр.283–286 (2005).

• Ефименко О. Д., Уокер Д. К. Генератор электростатического тока с дисковым электретом в качестве активного элемента. IEEE Trans Ind Appl 14, 537–540 (1978).

  Артикул Google ученый

• Тада Ю. Экспериментальные характеристики электретного генератора с использованием полимерных пленочных электретов. Jpn. J. Appl Phys 31, 846 (1992).

  CAS ОБЪЯВЛЕНИЯ Статья Google ученый

• Ван З.Л., Чен, Дж. И Линь, Л. Прогресс в области трибоэлектрических наногенераторов как новой энергетической технологии и датчиков с автономным питанием. Energy Environ Sci 8, 2250–2282 (2015).

  CAS Статья Google ученый

• Цуцумино, Т., Сузуки, Ю., Касаги, Н. и Сакане, Ю. Сейсмический генератор энергии с использованием высокопроизводительного полимерного электрета, 19-я Международная конференция IEEE по микроэлектромеханическим системам , Стамбул, стр. 98 –101 (2006).

• Боланд, Дж., Мессенджер, Дж., Ло, К. и Тай, Й. Электретные электретные генераторы с жидкостным ротором. 18-я Международная конференция IEEE по микроэлектромеханическим системам , стр. 618–621 (2005).

• Lo, H.-W., Whang, R. & Tai, Y.-C. Простой микроэлектретный электрогенератор. 20-я Международная конференция IEEE по микроэлектромеханическим системам , стр. 859–862 (2007).

• Basset, P. et al. Серийный безэлектретный кремниевый прибор для сбора энергии электростатических колебаний.J. Micromech Microeng 19, 115025 (2009).

  ADS Статья Google ученый

• Хоффманн Д., Фолкмер Б. и Маноли Ю. Изготовление, определение характеристик и моделирование электростатических микрогенераторов. J. Micromech Microeng 19, 094001 (2009).

  ADS Статья Google ученый

• Йен, Б. и Ланг, Дж. Х. Уборочный комбайн с переменной емкостью для преобразования вибрации в электрическую энергию.IEEE Trans. Circuits Syst I 53, 288–295 (2006).

  Артикул Google ученый

• Крупенкин Т. и Тейлор Дж. А. Обратное электросмачивание как новый подход к сбору энергии большой мощности. Нац Коммуна 2, 448 (2011).

  ADS Статья Google ученый

• Мун, Дж. К., Чон Дж., Ли, Д. и Пак, Х. К. Производство электроэнергии путем механической модуляции двойных электрических слоев.Нац Коммуна 4, 1487 (2013).

  ADS Статья Google ученый

• Kwon, S.H. et al. Эффективный метод сбора энергии от активного датчика движения естественной воды. Energy Environ Sci 7, 3279–3283 (2014).

  CAS Статья Google ученый

• Cheng, X., Meng, B., Han, M., Chen, H. & Zhang, H. Высокоэффективный прозрачный генератор на основе электрификации для сбора энергии капель. 18-я Международная конференция по твердотельным датчикам, исполнительным элементам и микросистемам (ДАТЧИКИ) , стр. 62–65 (2015).

• Yin, J. et al. Генерация электричества за счет движения капли ионной жидкости по графену. Nat Nanotechnol 9, 378–383 (2014).

  CAS ОБЪЯВЛЕНИЯ Статья Google ученый

• Boisseau, B. A. S. S. & Despesse, G. Электростатическое преобразование для сбора энергии вибрации.Интех (2012).

• Van Gerwen, P. et al. Матрицы встречно-штыревых электродов нанометрового размера для биохимических сенсоров. Sens Actuator B-Chem 49, 73–80 (1998).

  CAS Статья Google ученый

• Abeyrathne, C. D., Halgamuge, M. N., Farrell, P. M. & Skafidas, E. Диэлектрические свойства жидкофазных молекулярных кластеров с использованием метода внешнего поля: исследование молекулярной динамики. Phys Chem Chem Phys 16, 13943–13947 (2014).

  CAS Статья Google ученый

• Helmholtz, H. Ueber einige Gesetze der Vertheilung elektrischer Strme в krperlichen Leitern mit Anwendung auf die thierisch-elektrischen Versuche. Annalen der Physik 165, 211–233 (1853).

  ADS Статья Google ученый

• Мор, А. М., Гунджакар, Дж. Л., Лоханде, К. Д. и Джу, О. С. Изготовление гидрофобной поверхности пленок диоксида титана методом последовательной адсорбции и реакции ионного слоя (SILAR).Appl Surf Sci 255, 6067–6072 (2009).

  CAS ОБЪЯВЛЕНИЯ Статья Google ученый

• Шим, Дж. С., Руст, М. Дж. И Ан, С. Х. Матрица встречно-штыревых электродов большой площади с нанозазорами на полимерной подложке в качестве одноразового нанобиосенсора. J. Micromech Microeng 23, 035002 (2013).

  ADS Статья Google ученый

• Li, W.-D., Wu, W. & Williams, R.S. Комбинированная литография пучка ионов гелия и наноимпринт позволяет получить узоры с плотностью половинной ширины 4 нм. J. Vac Sci Technol 30, 06F304 (2012).

  Артикул Google ученый

• Мива М., Накадзима А., Фудзисима А., Хашимото К. и Ватанабе Т. Влияние шероховатости поверхности на углы скольжения капель воды на супергидрофобных поверхностях. Langmuir 16, 5754–5760 (2000).

  CAS Статья Google ученый

• Ёсимицу, З., Накадзима, А., Ватанабе, Т., Хашимото, К. Влияние структуры поверхности на гидрофобность и скользящее поведение капель воды. Langmuir 18, 5818–5822 (2002).

  CAS Статья Google ученый

• Лин, З.-Х., Ченг, Г., Ли, С., Прадель, К. и Ван, З. Л. Сбор энергии капель воды с помощью последовательной контактной электризации и электростатической индукции. Adv Mater 26, 4690–4696 (2014).

  CAS Статья Google ученый

• млн лет назад, W., Чжу, Р., Руфер, Л., Зохар, Ю. и Вонг, М. Интегрированный электрический микрогенератор с плавающим электродом. J. Microelectromech Syst 16, 29–37 (2007).

  CAS Статья Google ученый

• Сузуки Ю., Эдамото М., Касаги Н., Кашваги К. и Моризава Ю. Микроэлектретное устройство для сбора энергии с аналоговой схемой преобразования импеданса. Proc. PowerMEMS 8, 7–10 (2008).