Устройство и принцип работы генератора переменного тока. Электрогенератор как работает

Устройство и принцип работы генератора переменного тока

Мироздание предоставило человечеству триллион способов получить электричество, каждый этап развития характеризуется собственными технологиями. Допустим, исторически первым считают генератор постоянного заряда Ван де Граафа. Неверная точка зрения. Люди пользовались прежде другими разновидностями. Сегодня рассмотрим устройство, принцип работы генератора переменного тока. Приступим.

Работа генераторов электрического тока

Принцип призван создать потенциал относительно Земли, считаемую нулем. Неправильно, но все в мире относительно. Хотя земная поверхность несет заряд, играет роль разница потенциалов меж клеммами генератора и почвой. Стоящий на грунте предмет обволакивается полем планеты, считаем постулат верным. Первым изобретен генератор постоянного тока. Скорее напряжения. Вольтаж получался фантастический, тока приборчик давал мало. Принцип действия прост:

Принцип действия генератора

Лента трется, локально формируется заряд.
Путем конвейерного механизма участок достигает токоснимателя.
Проводимостью клеммы вида шара плотность уравнивается.

В результате сфера приобретает заряд, плотностью равный локальному ленты. Понятно, такие генераторы не слишком удобны, в 1831 году Майкл Фарадей создает нечто новое. Пользуясь намагниченной лошадиной подковой, вращающимся медным диском получил электричество по-иному: явлением магнитной индукции. Ток выходил переменный. Следовательно, поле перестало быть статическим, став электромагнитным. Поясним:

В природе часто встречаются заряды электричества положительного или отрицательного знака, никто не сумел разыскать отдельно полюсы магнита.
Переменное электрическое поле вызывает соответствующий отклик эфира. Выражен продуцированием переменной магнитной составляющей в плоскости перпендикулярной исходной.

Процесс продолжается беспрерывно, называется электромагнитной волной. Осваивает свободное пространство прямолинейно, пока энергия затухает. Что касается проводов, электричество распространяется сравнительно просто. Но! Пока кабель снабжен оплеткой. Экран пропал, зануление (заземление) отсутствует — волна начинает излучаться. Эффект эксплуатируют беспроводные отвертки-индикаторы, помогают установить (локализовать) источники помех промышленной частоты 50 Гц. И если системный блок компьютера не заземлен, при помощи вещички можно легко исправить недочет.

Помогает проверить вредоносное излучение дисплеев. Частота 50 Гц легко излучается проводами. Аспект увеличивает расходы электростанций (потери), вредит здоровью граждан. Как возникает энергия в генераторе Фарадея? Объясняли школьные учителя: при вращении рамки в поле магнита индукция через площадь меняется, наводится электрический ток.

Механическая энергия движения преобразуется в электрическую. Догадались, человечество эксплуатирует:

Падение с плотины вниз масс воды.
Энергию пара тепловых, атомных электростанций.

Два главнейших механизма получения энергии. Электричество становится движение лопасти турбины генератора. Природа родила устройства, сжигающие дизельное топливо, керосин, принцип действия мало отличается. Разница ограничена мобильностью, скоростью вращения лопасти.

Выработка электрической энергии городов

Посмотрим устройство генератора тока ГЭС. Для накопления потенциальной энергии движимой руслом реки водами воздвигается плотина. Уровень вверх по течению быстро начинает подниматься. Чтобы избежать прорыва (любого типа), часть многотонной массы стравливается (кое-где ставят специальные шлюзы пропускать рыбу на нерест). Полезная часть течения проходит сквозь направляющий аппарат. Знакомые с устройством реактивных двигателей, поняли речь. Направляющим аппаратом называется конфигурация створок, изменением положения регулируется количество проходящей среды (водя).

Говорили в обзорах, регламентированы жесткие требования на частоту вырабатываемого электричества. Ученые просчитали: можно достичь при нынешнем уровне развития, применяя массивные лопасти, на которых не сказываются малые удары волн. Учитывается средняя масса проходящей воды, мелкие скачки скрадываются несусветной массой винта. Очевидно, имея весомые габариты, скорость вращения бессильна составить 50 Гц (3000 об/мин). Лопасть делает 1-2 об/мин.

Линии электропередач

Винт вращает ротор генератора. Движущаяся ось, усаженная обмотками возбуждения. Катушки, сквозь которые пропускается постоянный ток для создания устойчивого магнитного поля. Излучения не происходит, значение напряженности постоянное (см. выше). Наблюдаются неявные флуктуации, результат не отражается на сути процесса: валу образован несколькими вращающимися магнитами.

Возникает тонкий момент: как получить частоту 50 Гц. Быстро пришли к выводу: выпрямлять переменный ток, после ставить инвертор обратного преобразования невыгодно. Вдоль статора расположили множество проволочных катушек (рамка из опытов Фарадея), в которых будет наводиться индукция. Путем правильной коммутации с генератора удается снять нужные 230 вольт (на деле стоят еще понижающие трансформаторы) с частотой 50 Гц. Генераторы дают три фазы, сдвинутые на 120 градусов. Возникает новый вопрос – обеспечить стабильность. Подавать дозированное количество воды, пока лопасть набирает скорость? Практически невозможно, поступают следующим образом:

Помимо токосъемных катушек статоре содержит возбуждающие.

Туда подается напряжение частоты, позволяющей лопасти набрать нужную скорость.
Получается фактически громадный синхронный двигатель.

Начальный разгон нагоняется потоком воды, вспомогательное напряжение придерживает винт, пытающийся превысить заданную скорость. Вода фактически толкает махину, напряжение возбуждения послужит регуляции (понятно, на статор подается переменный ток). Требуется получить больше мощности, направляющий аппарат плотины чуть приоткрывается. Масса воды становится более солидной, непременно сорвала бы обороты. Приходится увеличивать ток возбуждения статора, контролирующее поле становится сильнее, ситуация остается в нормальных пределах.

Двигатель внутреннего сгорания Катерпиллер, вращающий генератор

Мощность генератора возрастает. А напряжение, поддерживается уровень? По закону электромагнитной ЭДС Фарадея напряжение определено скоростью изменения магнитного поля, числом витков. Получается, конструктивно выбирая площадь катушек, длину кабеля, задаем выходное напряжение генератора. Разумеется, каждый должен иметь свою скорость вращения лопасти. Выдерживается током возбуждения ротора. При возрастании мощности увеличивается ЭДС. Рост тока возбуждения повышает скорость изменения магнитной напряженности поля.

Нужен способ поддержания прежних параметров. Зачастую становятся развязывающие трансформаторы с переменным коэффициентом передачи. Потребитель меняет ток, напряжение остается постоянным. Обеспечиваются заданные стандартами параметры. Устройство генератора переменного тока основано на возбуждении обмоток статора, остальное сводится к методикам регуляции параметров.

Регулировка параметром генераторов переменного тока

В простейшем случае мощность не поддается изменению. В бытовых (мелких генераторах) схема отслеживает напряжение, меняется значение тока возбуждения. Редко ситуация на руку потребителю. Расходуется солярка. Получается, тратится прежняя энергия, часть рассеивается пространством. Не страшно, когда возвращаем Земле часть скорости реки, жечь топливо задаром редкий скупец захочет.

Читатели поняли: обороты сорвутся, если не уменьшить подачу воды, газа, пара – в общем, движущей силы. Отслеживает отдельная цепь регуляции, снабженная регулировочными механизмами. Частному дому лучше создать систему аккумуляторную, сегодня имеется возможность 12 вольтами постоянного тока питать освещение, ноутбуки, многие другие приборы. Сеть возможно оборудовать отводом для периодического заряда батарей. Методик, как помним, две:

Простая схема работы генератора

С постоянным током. Напряжение варьируется, каждый час заряжается одна десятая емкости. Длительность процесса – 600 минут.
С постоянным напряжением. Ток падает по экспоненте, вначале составит сравнительно большие величины. Главный недостаток методики.

Принцип действия генератора переменного тока позволит вести подзарядку аккумуляторов, руководствуясь необходимостью. Понятно, потребуется цепь гальванической развязки перед каскадом батарей. Можно догадаться из прочитанного, ГЭС применяют устройства с подстраиваемым коэффициентом трансформации. Методики реализации затеи могут быть разными:

Широкое распространение получили трансформаторы с коммутируемыми обмотками. Число витков может меняться путем переключения контакторами цепей.

Более плавный коэффициент обеспечивает скользящий контакт. Здесь витки одной катушки зачищены, токосъемник бегает взад-вперед, меняя число рабочих витков. Понятно, большой ток пропустить сложно, будет возникать искра, в случае ГЭС станет дугой. Скорее устройство регулирования сравнительно малых мощностей.

Из сказанного следует: ток возбуждения ротора ГЭС логично менять скачками в такт переключению обмоток регулирующего трансформатора. Потом происходит плавная подстройка, параметры напряжения приходят в норму. Рассказали в общих чертах, как работает генератор переменного тока. Стоит отметить: конструкцией многообразие не исчерпано. Описанный вид устройств составляет костяк семейства под названием синхронные генераторы переменного тока. Обеспечивают города, по большей части, энергией.

Асинхронный генератор переменного тока

Асинхронные генераторы отличаются отсутствием электрической связи меж статором и ротором. Скорость регулируется направляющим аппаратом. Сообразно стабильность частоты падает, амплитуда напряжения также носит непостоянный характер. В результате можно отметить относительную простоту конструкции асинхронного генератора переменного тока, стабильность параметров не блещет хорошими показателями.

Отличительной чертой назовем способность недостатков асинхронных двигателей плавно перекочевывать, заражая новые устройства. Очевидно, для снабжения потребителей энергией регулируют частоту тока, мощность получается случайной. Хотя, если генератор находится в относительно постоянном окружении, сказанное не окажется большой проблемой.

vashtehnik.ru

Электрогенераторы: устройство, технологии, особенности применения

Электрогенераторы помогают использовать электроинструмент далеко от стационарных источников электроэнергии.

«А зачем он, собственно, нужен?» – вполне резонно спросят многие читатели. Оказывается, что большинству подобный агрегат просто необходим, причем причины у каждого покупателя свои.

Избалованные комфортом городские жители, однажды увидев у приятеля на пикнике генератор, уже не представляют себе отдыха за городом без этого «чуда».

Для других станция – это порой единственный источник электроснабжения из-за проблем с централизованной сетью или вовсе из-за ее отсутствия.

Ремонтные бригады, аварийные службы, владельцы коттеджей, магазинов и АЗС – это далеко не полный перечень клиентов фирм по продаже генераторов.

Вот и получается, что очень разные люди для совершенно разных целей рано или поздно решаются приобрести свою собственную автономную «электророзетку». Именно так нужно воспринимать современную, компактную, экономичную и тихую бензиновую (дизельную) электростанцию.

Это надо знать

При выборе генератора, как правило, руководствуются личными предпочтениями. Кому-то подавай мобильность и малый вес, другому необходимы возможность автоматизации и длительной безостановочной работы, а иной хочет то и другое сразу, да чтобы дешево. Но в любом случае приходится решать задачу выбора агрегата соответствующей мощности. Для начала попробуем выяснить, что же это такое – «мощность электрического тока»?

Как рассчитать необходимую мощность генератора?

Возьмем, к примеру, 2-киловаттный обогреватель, 1-киловаттный пылесос и 300-ваттную морозильную камеру. Что объединяет столь разные нагрузки? Оказывается, чтобы «запитать» каждую из них, необходим электрогенератор мощностью как минимум 3 кВ•А.

Возникает два резонных вопроса. Первый: почему одна и та же величина (мощность) указывается в разных единицах измерения: кВт и кВ•А? И второй: почему потребителей электрической энергии (у нас это обогреватель, пылесос и морозильник) нельзя «стричь под одну гребенку»?

Что такое коэффициент мощности?

Из школьного курса физики известно, что мощность равна произведению напряжения и тока. Поэтому логично, что измеряется она в вольт-амперах, или ВА. Это полная или, как ее еще называют, кажущаяся мощность. Последняя делится на две составляющие.

За счет небольших размеров некоторые модели генераторов удобно не только перевозить, но и переносить.

Активная (полезная) расходуется непосредственно на совершение работы, типичной для данного электроприбора. Эту «видимую» часть измеряют в ваттах, или Вт. Реактивная, измеряемая в вольт-амперах реактивных (вар), тратится на создание магнитных полей в катушках и электрических полей в конденсаторах.

После взаимодействия с нагрузками реактивного характера синусоиды тока и напряжения сдвигаются друг относительно друга на некоторый угол Phi. Чем он ближе к 0 (cos Phi – > 1), тем больше полезная мощность, так как в конкретный момент времени перемножаются максимальные значения вольтажа и ампер. Приборы с cos Phi менее 0,7 подключать к сети запрещено правилами.

Теперь ответим на второй вопрос. Начнем с пылесоса: почему применительно к нему нельзя полностью реализовать мощность генератора?

Электрическое сопротивление пылесоса имеет реактивную составляющую, причем индуктивного характера. Главный «виновник» этого – электромотор с его обмотками, которые добавляют к разности фаз генератора (альтернатора) электростанции собственную разность фаз того же знака (направления). В результате приходится применять еще один – поправочный – коэффициент мощности, характеризующий теперь уже потребителя энергии.

Электрогенератор

Электрогенератор, или альтернатор, как его часто называют специалисты, преобразует механическую энергию вращения вала двигателя в электромагнитную энергию переменного тока. В зависимости от его типа и конструкции электростанция подходит для решения тех или иных задач.

Синхронный или асинхронный?

Для возбуждения ЭДС (электродвижущей силы) в обмотках статора (неподвижная часть генератора) нужно создать переменное магнитное поле. Это достигается вращением намагниченного ротора (другое его название – якорь). Для намагничивания используют разные приемы.

Так, у синхронного генератора на якоре имеются обмотки, на которые подается электрический ток. Изменяя его величину, можно влиять на магнитное поле, а, следовательно, и на напряжение на выходе статорных обмоток. Роль регулятора прекрасно играет простейшая электрическая схема с обратной связью по току и напряжению. Благодаря этому способность синхронного альтернатора «проглатывать» кратковременные перегрузки очень высока и ограничена лишь омическим (активным) сопротивлением его обмоток.

Однако у такой схемы есть и недостатки. Прежде всего, ток приходится подавать на вращающийся ротор, для чего традиционно используют щеточный узел. Работая с довольно большими (особенно во время перегрузок) токами, щетки перегреваются и частично «выгорают». Это приводит к плохому их прилеганию к коллектору, к повышению омического сопротивления и к дальнейшему перегреву узла. Кроме того, подвижный контакт неизбежно искрит, а значит, становится источником радиопомех.

Чтобы избежать преждевременного износа, рекомендуется время от времени контролировать состояние щеточного узла и при необходимости очищать либо менять щетки. Кстати, после их замены желательно дать им время «приработаться» к коллектору, а уж затем нагружать станцию «по полной программе».

Многие самые современные синхронные генераторы снабжены бесщеточными системами возбуждения тока на катушках ротора (их еще называют brashless). Они лишены перечисленных недостатков, а потому предпочтительнее.

Асинхронный генератор вообще не имеет обмоток на роторе. Для возбуждения ЭДС в его выходной цепи используют остаточную намагниченность якоря. Конструктивно такой альтернатор намного проще, надежнее и долговечнее. К тому же, поскольку обмотки ротора охлаждать не нужно (их просто нет), корпус асинхронного генератора можно сделать закрытым и тем самым практически исключить попадание внутрь пыли и влаги.

К сожалению, асинхронники тоже не лишены недостатков. Стабильность напряжения на выходе у них обычно хуже, чем у синхронников. Да и способность к пусковым перегрузкам оставляет желать лучшего: при достижении некоторого критического значения тока в обмотках статора, ротор попросту размагничивается. Впрочем, намагнитить его несложно – достаточно подать на определенные входы указанное в инструкции напряжение.

Перечисленные «асинхронные проблемы» частично решают, оснащая станции регулятором напряжения и стартовым усилителем. Однако все эти «навороты» лишают агрегат его главного достоинства – простоты.


Синхронный генератор.	Асинхронный генератор.

Сколько же в нем фаз?

Действительно, зачем нужны непонятные три фазы, когда и с одной-то не разберешься? Но в том-то и дело, что без них – никуда. Начнем с того, что трехфазная схема подключения позволяет передавать энергию трех однофазных источников всего по трем проводам (в случае однофазной схемы потребовалось бы выделить по два провода на каждый такой источник).

В итоге при равной выходной мощности трехфазный альтернатор компактнее, легче и имеет больший КПД. К тому же он более универсален – на выходе дает как бытовые 220 вольт, так и промышленные 380. Но имейте в виду: полноценно работать на однофазную нагрузку трехфазный альтернатор может только при правильном подключении.

Двигатель

Любой, даже самый распрекрасный альтернатор не выдаст и ватта мощности, если его не будет вращать двигатель. Какие они бывают и чем различаются?

Бензиновые моторы

Обычно на бензиновых электростанциях малой и средней мощности применяются карбюраторные, или, как их часто называют, бензиновые моторы (совсем правильный термин – «двигатель внутреннего сгорания с внешним смесеобразованием»).

Как явствует из названия, топливом для них служит бензин. Сгорая, он отдает часть своей энергии поршню, совершая полезную работу, а все что осталось – тратит на нагрев атмосферы и деталей мотора. Разумеется, чем больше джоулей идет в полезное дело, тем лучше.

Повышение КПД – сложная техническая задача, для решения которой прибегают к разным приемам.

Достичь качественного скачка в борьбе за снижение расхода топлива удалось при переходе к верхнеклапанной компоновке двигателя. Одна из таких схем с распределительным валом в картере и штанговым приводом получила в последние годы наибольшее распространение и обозначается OHV. Ее внедрение позволило уменьшить площадь поверхности камеры сгорания, а значит, уменьшить нагрев деталей мотора. Кроме того, появилась возможность повысить степень сжатия (с 5–6 до 7–9 единиц) при использовании бензина прежней марки, что еще больше повысило эффективность.

К сожалению, дальнейшее повышение КПД бензинового двигателя за счет увеличения степени сжатия нецелесообразно – это потребует значительного увеличения октанового числа топлива (то есть его стоимости). В противном случае горючая смесь, детонируя, будет сгорать раньше времени, толкая поршень против его движения.

Для следующего качественного шага необходимо кардинально улучшить сам процесс смесеобразования, то есть отказаться от карбюратора в пользу систем впрыска с электронным управлением. А цена самой простой из них вплотную приближается к стоимости недорогого мотора вместе с его карбюратором.

Дизельные моторы

Дизельные электростанции обладают недостижимо низким для бензинового мотора расходом топлива. У него степень сжатия ограничена, главным образом, прочностью и термостойкостью деталей поршневой и кривошипно-шатунной групп. Для нормальной работы в жестких режимах дизельные моторы приходится делать очень прочными, то есть тяжелыми. Как следствие, при высокой частоте вращения вала они изнашиваются быстрее, чем более легкие детали карбюраторного двигателя. Вышесказанное никоим образом не означает того, что дизель менее долговечен (здесь самое время вспомнить о высоком запасе прочности), а лишь поясняет причину, по которой он «предпочитает» пониженные обороты.

У такого мотора есть два серьезных недостатка: высокая стоимость и относительно большая масса. Сложность и дороговизну ремонта в расчет брать не будем – они скомпенсированы надежностью и долговечностью.

Кратко подытожить проблему выбора типа силовой установки можно так: – Любой дизель экономичнее бензинового мотора и к своей «кончине» обычно успевает окупить разницу в цене. – «Тихоходный» (1500 об./мин) дизель превосходит бензиновый мотор по ресурсу примерно в четыре-пять раз, а по весу – в два-три раза. «Быстроходный» (3000 об./мин) по обоим параметрам опережает карбюраторный мотор примерно в полтора раза. – Если в конструкции не предусмотрены свечи накаливания (а они имеются, как правило, лишь на очень мощных двигателях), запустить дизель при отрицательных температурах весьма непросто. – Зимой на дизельном моторе нужно использовать специальные сорта топлива.

Двух- и четырехтактные двигатели

Конструктивно двухтактные моторы проще и, соответственно, дешевле, легче и надежнее (иногда – еще и долговечнее) четырехтактных. Оборотная сторона медали – повышенный расход топлива и необходимость возиться с маслом (его приходится подавать вместе с бензином).

Но нет худа без добра: густеющее на морозе масло не препятствует прокрутке холодного двигателя, каждый оборот которого, кстати, приравнивается к двум «четырехтактным». Те, кто работают или живут на Севере, это прекрасно знают и предпочитают именно такие движки. Завести промерзший «четырехтактник» практически невозможно, и тут уже не до экономии...

Словарь терминов

API – свидетельство того, что уровень эксплуатационных свойств масла определен в соответствии со стандартами Американского института нефти. Первая буква индекса, следующая в аббревиатуре за API, обозначает категорию: S – для бензиновых моторов, C – для дизельных.

Бензиновые электростанции хотя легкие и с хорошим КПД, однако топливо расходуют больше, чем дизельные.

Вторая – группу качества. Самый низкий уровень – у масел с буквой «А», более высокий – «В» и т.д. Если обозначение двойное, например API SJ/CF, значит смазку можно использовать и как SJ, и как CF.

AVR – расшифровывается как Automatic Voltage Regulator. Эту систему устанавливают на синхронные альтернаторы для стабилизации выходного напряжения (обычно оно поддерживается с точностью до 5%). Для прецизионной (точной) регулировки прибегают к дополнительным электронным устройствам, которые, как правило, приобретают за отдельную плату.

SAE – означает, что класс вязкости масла определен в соответствии со стандартами Общества автомобильных инженеров США. Зимние классы обозначают в виде числа с индексом W (от winter – зима), например SAE 5W; летние – только числом, например SAE 30; а универсальные – комбинацией того и другого через дефис, например SAE 5W-30. Кстати, для двигателей, смазывающихся разбрызгиванием, вязкость особенно важна. Слишком густое масло не образует «масляного тумана», а потому не поступает на трущиеся пары.

Тепловой автомат без плавкого предохранителя – предназначен для защиты генератора от перегрузок. На сегодняшний день это самое распространенное устройство защиты электросети.

Бесщеточный генератор (brashless) – синхронный альтернатор, в конструкции которого нет щеток. Он не требует обслуживания, долговечен и при работе не создает радиопомех. Интенсивно вытесняет с рынка малой и средней по мощности техники генераторы традиционной конструкции.

Декомпрессор – при ручном запуске автоматически приоткрывает один из клапанов мотора и тем самым облегчает раскрутку вала до необходимых оборотов. Практически все четырехтактные моторы (и дизельные, и бензиновые), имеющие ручной стартер, оснащают этим устройством.

Дифференциальная защита от утечек тока – обычное УЗО, сейчас оно должно быть в любой квартире. Назначение – повышение безопасности работы с генератором. Дело в том, что виновником большинстватравм выступает ток, проходящий между фазой и землей. Пример: человек стоит на раме генератора и дотрагивается до неизолированного провода. Обычный автомат в такой ситуации не срабатывает – слишком мала нагрузка, а вот дифференциальная защита обязательно разомкнет силовую цепь.

Защита по уровню масла – предусмотрена на всех современных моторах. При снижении уровня ниже критического она отключает двигатель либо сигнализирует об этом. На моторах с масляным насосом обычно контролируется не уровень, а давление масла в рабочем контуре.

Класс защиты по DIN 40050 – немецкий стандарт, по нему оценивается защищенность альтернатора от внешних воздействий. Он обозначается двумя буквами (IP) и двумя цифрами.

Первая цифра означает: 0 – защита отсутствует; 1 – защита от посторонних предметов размером более 50 мм; 2 – защита от касания пальцами и от проникновения твердых посторонних частиц диаметром более 12 мм; 3 – защита от посторонних предметов и частиц диаметром более 2,5 мм; 4 – защита от касания инструментом, пальцами и проволокой диаметром более 1 мм, защита от проникновения твердых посторонних частиц диаметром более 1 мм; 5 – полная защита от касания вспомогательными средствами любого типа и от проникновения пыли.

Вторая цифра означает: 0 – защита отсутствует; 1 – защита от вертикально падающих капель воды; 2 – защита от капель воды, падающих под углом 15 градусов к вертикали; 3 – защита от струй воды, падающих под углом до 60 градусов к вертикали; 4 – защита от водяной пыли, распространяющейся со всех сторон; 5 – защита от струй воды, падающих со всех сторон под любым углом.

Дизельный электрогенератор экономичен и надежен, но в сильные холода может доставить много проблем из-за замерзшего топлива.

Системы повышения экономичности – экономичный режим включается либо вручную, либо автоматически при уменьшении потребляемой мощности до критического уровня. При этом мотор станции начинает работать на пониженных оборотах, что позволяет тратить существенно меньше топлива и уменьшить уровень шума.

Система стартового усиления – применяется для улучшения перегрузочной способности. В случае асинхронников, как правило, не позволяет достичь результатов, характерных для синхронников. К слову, у последних система стартового усиления чаще всего представляет собой предохранительный автомат, имеющий специальные характеристики.

Смазка под давлением – способствует долговечной работе мотора с малым износом и редким обслуживанием. Такая система при наличии фильтрует масло, а значит, продлевает срок службы смазки и улучшает стабильность ее свойств. Ее применение оправданно для дорогих двигателей с высокой мощностью и загруженностью деталей.

Топливный (топливоподкачивающий) насос – у бензиновых электростанций позволяет поместить топливный бак (или дополнительные емкости) ниже уровня карбюратора, а у дизельных – разместить баки намного ниже мотора (например, на нижнем этаже здания или вообще под землей). Выпускают насосы с механическим (их размещают непосредственно на двигателе), электрическим или пневматическим (вакуумным) приводом.

Управление воздушной заслонкой – воздушная заслонка необходима для искусственного обогащения рабочей смеси (так называют смесь воздуха и бензина, производимую карбюратором). Она способствует легкому и уверенному запуску мотора, особенно в условиях пониженных температур. Перед стартом заслонку следует закрыть, а после прогрева – открыть. Есть как простые системы с вакуумным приводом, так и более сложные с вакуумным приводом и датчиком температуры. (Если управление заслонкой ручное – без автоматики, дистанционный запуск электростанции невозможен.)

Свечи накаливания – служат для облегчения запуска дизельного мотора в условиях пониженных температур. Обычно их устанавливают на мощные двигатели (за дополнительную плату).

Справочное бюро

Какие особенности эксплуатации у дизеля? Чтобы избежать детонации и повысить степень сжатия, горючее лучше добавлять в цилиндр с воздухом не заранее, а в момент зажигания. Именно так работает дизельный мотор, в котором компрессия настолько велика, что температуры сжатого воздуха достаточно для самовозгорания горючего. Как следствие, в отдельной системе зажигания вовсе нет надобности.

Для нагнетания топлива в форсунки используют ТНВД (топливный насос высокого давления). Его конструкция не сложна, но требует очень точной обработки и подгонки деталей. В случае поломки или износа его обычно не ремонтируют, а, несмотря на высокую стоимость (до 1/3 стоимости всего мотора), заменяют целиком. Починить его в «полевых» условиях просто нереально – тривиальные случаи вроде открутившейся гайки в расчет брать не будем.

Типичными неисправностями топливной аппаратуры, поддающимися «лечению», считаются всевозможные засоры фильтров и «зависания» запорной иглы форсунок. Не сказать, чтобы легко, но при желании справиться с ними самостоятельно можно.

Почему зимой используют специальную «солярку»? В отличие от бензина дизтопливо насыщено различными примесями, большая часть которых (по массе) относится к парафинам. Летом они себя никак не проявляют, а вот зимой – при отрицательных температурах – кристаллизуются, делая жидкость более вязкой. Если их содержание велико, «солярка» превратится в «студень» или вообще в «твердое тело». А если мало, то образовавшиеся кристаллики забьют фильтр тонкой очистки топлива, даже если вязкость останется в норме.

Чтобы не попасть впросак, нужно вовремя перейти на зимние сорта горючего или воспользоваться специальными присадками. Если содержимое бака уже напоминает кусок желе, они, разумеется, не помогут, – ищите паяльную лампу. Применять такие препараты необходимо заранее (в крайнем случае – на стадии помутнения топлива).

В чем особенности двухтактного мотора? За каждый оборот коленчатого вала (иными словами, за два такта) каждый цилиндр такого двигателя успевает «переварить» порцию горючего, тогда как «четырехтактнику» для этого нужно два оборота. Следствия – меньшиепотери на трение и почти в два раза большая мощность при прочих равных условиях.

Такты выхлопа и всасывания совмещены с рабочим и заменены «продувкой». В результате поршень «недополучает» часть энергии, а горючая смесь попадает не только в цилиндр, но и в выхлопную трубу. Для «вдувания» используют пространство под поршнем, обратная сторона которого выступает в качестве поршня компрессора.

Отсюда и необходимость подавать масло вместе с топливом – ведь в картер его уже не нальешь. Исключение – двигатели с системой смазки замкнутого типа, но на малой технике их обычно не применяют.

Почему генераторы названы «синхронными» и «асинхронными»? Как известно, электромотор – обратимая машина, то есть он способен не только потреблять, но и вырабатывать электроэнергию. А значит, электродвигатель и электрогенератор – практически одно и то же (небольшие отличия лишь в конструкции). Кстати, именно от моторов альтернаторы получили свое название.

Рассмотрим три катушки индуктивности, расположенные по кругу. К каждой из них подведен переменный ток, фазы которого сдвинуты друг относительно друга на 120 градусов (именно таков угол между двумя соседними катушками). Сумма их магнитных полей образует вектор постоянной длины, вращающийся с частотой, равной частоте переменного тока, текущего по обмоткам.

Если в такой статор поместить цилиндрический ротор (якорь) из токопроводящего материала, он начнет вращаться, следуя за вектором намагниченности. Чем больше разность частот вращения его и суммарного поля катушек, тем больший на него действует крутящий момент. Характер такой работы – асинхронный (скорость вращения ротора не синхронна частоте изменения поля статора). Это схема работы трехфазного электромотора (можно было рассмотреть и однофазный, но там ситуация менее наглядна).

Чтобы такой движок смог стать альтернатором (генератором переменного тока), его ротор должен быть не только проводником, но и магнитом (то есть иметь намагниченность). Конечно, функционирует он синхронно, то есть частота вырабатываемого тока в точности равна оборотам ротора, но по аналогии с мотором его называют асинхронным.

Синхронный электродвигатель устроен иначе. Ротор в этом случае является не проводником, а электромагнитом. Если к обмоткам якоря подвести ток, то он придет в движение и будет вращаться до тех пор, пока направление его магнитного момента не совпадет с направлением магнитного момента статора. Чтобы ротор продолжил вращение, надо изменить направление тока в обмотках. И так каждые пол-оборота. Получается, что частота изменения переменного магнитного поля в точности совпадает с оборотами ротора. Отсюда и название – синхронный электродвигатель. Для превращения такого мотора в альтернатор несколько изменяют его конструкцию, но принцип работы остается прежним.

Какие марки альтернаторов наиболее популярны? Основные производители альтернаторов: Generac (Англия), Leroy Somer (Франция), Mecc Alte (Италия), Metallwarenfabrik Gemmingen (Германия), Sawafuji (Япония), Sincro (Италия), Soga (Италия), Stanford (Англия), Yamaha (Япония) и др.

Самые распространенные марки моторов. Бензиновые двигатели выпускают Briggs&Stratton (США), Honda (Япония), Kubota (Япония), Lombardini (Италия), Mitsubishi (Япония), Robin (Япония), Suzuki (Япония), Tecumseh (Италия), Yamaha (Япония) и др. Найти генератор с отечественным бензиновым мотором практически невозможно.

Дизельные двигатели производят Acme (Италия), Hatz (Германия), Honda (Япония), Iveco (Италия), Kubota (Япония), Lombardini (Италия), Robin (Япония), Yamaha (Япония), Yanmar (Япония) и др. Отечественные дизели выпускают в Вятке, Туле, Челябинске, Владимире, Рыбинске и Ярославле, но устанавливают их, как правило, на мощных электростанциях.

library.stroit.ru

Как работает генератор | Двигатель прогресса

May 21, 2015

Панели солнечных батарей и водородные топливные элементы генерируют электричество, но чаще всего, если речь идет о генераторах, имеется в виду двигатель, который преобразует механическую энергию, полученную от внешнего источника, в электроэнергию. Эти генераторы могут быть достаточно компактными, чтобы обеспечивать электроэнергией одно устройство или достаточно большими, чтобы запитать целый город.

История

Механические генераторы как крупные, так и малые основаны на явлении электромагнитной индукции, которое открыл английский физик Майкл Фарадей в 1831 году. Первый известный генератор был построен Ипполитом Пикси в 1832 году из двух катушек и подковообразного магнита. В том же году Майкл Фарадей сконструировал униполярный генератор. В нем вращающийся по оси униполярной индукции цилиндрический магнит генерировал постоянный ток.

Первым генератором, который нашел широкое применение в промышленности, был генератор компании Alliance, разработанный профессором Нолле в 1849 году. Последующим, промышленно значимым развитием генераторов, стало изобретение в 1866 году Вернером фон Сименсом генератора без постоянных магнитов, основанным на принципе динамо-электрики.

В 1891 году на Международной выставке электротехники во Франкфурте была представлена машина для производства многофазного переменного тока. Это стало основой для изобретения многофазных генераторов. Один из первых таких генераторов был создан Францем Пихлером в 1892 году в Австро-Венгрии. Машина успешно была введена в эксплуатацию, в дальнейшем был усовершенствован до трехфазного и использовался вплоть до второй половины 20-го века.

В последующие годы были построены многочисленные генераторные электростанции. В основном это были электростанции источником механической энергии, которых была гидроэнергия, реже – энергия пара. Первая крупномасштабная гидроэлектростанция в мире была построена на Ниагарском водопаде в 1895 году, паровая электростанция была запущена в том же году в Будапеште.

Принцип действия и виды генераторов

Все электрические генераторы, которые работают на основе электромагнитной индукции, преобразуют механическую мощность в электрическую энергию. Механическая энергия подается к генератору в виде вращения механического вала. Преобразование энергии основано на силе Лоренца, действующей на перемещение электрических зарядов в магнитном поле. Изменение магнитного поля направлено перпендикулярно к проводнику. Сила Лоренца действует на заряды в проводнике, приводя их в движение. Это приводит к образованию разницы потенциалов между концами проводника и создает электрическое напряжение. Для увеличения напряжения используются последовательно соединенные катушки с проводником.

Генератор устройство Большинство генераторов состоят из двух основных компонентов. Ток генерируется в статоре, твердое металлическое ядро, вокруг которого намотан проводник (проволока). Концы обмотки статора подключены к выходным клеммам генератора. Ротор или якорь вращается вокруг статора и производит переменное магнитное поле. В небольших генераторах ротор, как правило, имеет постоянные магниты, но в более крупных генераторах, таких как на электростанциях, магнитное поле создается с помощью магнитных катушек индуктивности.

Диапазон источников внешней энергии достаточно широкий, от ручного привода до силы воды. В генераторах личного пользования привод ротора обычно осуществляется от бензинового двигателя, а в более мощных, способных вырабатывать 10 кВт и более применяются дизельные двигатели. В генераторах, применяемых на электростанциях, для вращения ротора используют паровые турбины. Тепловая энергия для получения пара, вырабатывается от сжигания ископаемого топлива, например уголь, или из ядерного деления. На гидроэлектростанциях для вращения турбины используется сила воды естественного водопада или искусственно направляемого течения.

Линейный генератор в своей простейшей форме представляет собой двигатель Штельцера. Это двухтактный поршневой двигатель прямолинейной симметричной конструкции. Поршневая пара, соединенная между собой шатуном, помещена в цилиндры. На шатуне, который свободно колеблется, вместе с поршнями, расположен магнитопровод, выполняющий функцию якоря. Главное отличие линейного генератора от роторного – использование не вращательного движения подвижной части, а возвратно-поступательного.

Гидроэлектростанции в ветряные турбины – два примера использования возобновляемых источников энергии. Их работа не полагается на ресурс, который может быть исчерпан, таких как ископаемое топливо. Еще один пример – геотермальные генераторы, используют тепло земли для создания пара, который вращает турбину ротора. Солнечные генераторы не полагаются на явление электромагнитной индукции. В основу их работы положен фотоэлектрический эффект, благодаря которому солнечный свет, попадая на полупроводниковую поверхность, создает электроэнергию. Солнечные панели производят постоянный ток, поэтому для работы в обычных электросетях в их конструкцию включают инвертор для преобразования постоянного тока в переменный.

lab-37.com

Как сделать электрогенератор своими силами

Написано 3 января 2018от generator-prosto.

Постоянное и бесперебойное обеспечение электричества в доме – залог приятного и комфортного времяпровождения в любую пору года. Чтобы организовать автономное питание загородного участка, нам придется прибегнуть к мобильным установкам – электрогенераторам, которые в последние годы особенно популярны ввиду большого ассортимента самых разных мощностей.

Содержание:

Сфера применения

Многие интересуются, как сделать электрогенератор для дачного участка? Об этом мы и расскажем ниже. Применим в большинстве случаев асинхронный генератор переменного тока, который будет производить энергию для работы электроприборов. В асинхронном генераторе скорость вращения роторов, чем в синхронном и КПД будет выше.

Впрочем, силовые установки нашли свое применение в более широком кругу, как отличное средство для добычи энергии, а именно:

Их применяют на ветровых электростанциях.
Используются как сварочные агрегаты.
Обеспечивают автономную поддержку электричества в доме наравне с миниатюрной ГЭС.

Включается агрегат с помощью входящего напряжения. Зачастую для запуска устройство подключают к питанию, но это не совсем логическое и рациональное решение для мини-станции, которая сама должна вырабатывать электричество, а не потреблять его для запуска. Поэтому в последние годы активно производятся генераторы с самовозбуждением или последовательным переключением конденсаторов.

Как работает электрогенератор

Асинхронный генератор электроэнергии производит ресурс, если скорость вращения мотора быстрее синхронного. Самый обычный генератор работает на параметрах от 1500 оборотов.

Он производит энергию, если ротор при старте быстрее работает, нежели синхронная скорость. Разница между этими показателями называется скольжение и высчитывается в процентном соотношении относительно синхронной скорости. Однако, скорость статора еще выше, чем частота вращения ротора. За счет этого образуется поток заряженных частиц, меняющих полярности.

Смотрим видео, принцип работы:

При возбуждении подключенное устройство электрогенератора берет контроль над синхронной скоростью, самостоятельно управляя скольжением. Выходящая из статора энергия проходит по ротору, однако, активное питание уже переместилось в катушки статора.

Основной принцип работы электрогенератора сводится к преобразованию механической энергии в электрическую. Чтобы запустить ротор для выработки энергии, необходим сильный крутящий момент. Самым адекватным вариантом, по словам электриков, является «вечный ход вхолостую», который поддерживает одну скорость вращения в течение времени работы генератора.

Почему используется асинхронный генератор

В отличие от синхронного генератора, асинхронный имеет огромное количество достоинств и преимуществ. Основным фактором выбора асинхронного варианта стал низкий клирфактор. Высокий показатель клирфактора характеризует количественное наличие высших гармоник в выходном напряжении. Они вызывают бесполезный нагрев мотора и неравномерность вращения. Синхронные генераторы имеют величину клирфактора на уровне 5-15%, в асинхронных он не превышает 2%. Их этого следует, что асинхронный генератор энергии вырабатывает только полезную энергию.

Немного о асинхронном генераторе и его подключении:

Не менее весомым преимуществом данного вида электрогенератора является полное отсутствие вращающихся обмоток и электронных деталей, чувствительных к повреждениям и внешним факторам. Следовательно, данный вид аппаратов не подвержен активному износу и прослужит дольше.

Как сделать генератор своими руками

Устройство асинхронный генератор переменного тока

Приобретение асинхронного электрогенератора – достаточно недешёвое удовольствие для среднестатистического жителя нашей страны. Поэтому многие умельцы прибегают к решению вопроса о самостоятельной сборке аппарата. Принцип работы, как и конструкции – достаточно прост. При наличии всех инструментов сборка не займет более 1-2 часов.

Согласно вышеопределенному принципу действия электрогенератора, следует настроить все оборудование так, чтобы вращения были быстрее, нежели обороты двигателя. Чтобы это сделать, следует подключить двигатель в сеть и завести его. Для вычисления количества оборотов в минуту используйте тахометр или тахогенератор.

Определив значение скорости вращения двигателя, прибавьте к нему 10%. Если скорость вращения 1500 оборотов в минуту, тогда генератор должен работать на 1650 оборотах.

Теперь нужно переделать асинхронный генератор «под себя», используя конденсаторы необходимых емкостей. Для определения типа и емкости используйте следующую табличку:

Таблица емкости ДЛ

Надеемся, как собрать электрогенератор своими руками уже понятно, но обратите внимание: емкость конденсаторов не должна быть очень завышенной, в противном случае генератор, работающий на дизельном топливе, будет сильно греться.

Установите конденсаторы согласно расчету. Установка требует достаточного количества внимания. Убедитесь в хорошей изоляции, при необходимости используйте специальные покрытия.

На базе двигателя процесс сборки генератора завершен. Теперь его уже можно использовать как необходимый источник энергии. Помните, что в случае, когда устройство имеет короткозамкнутый ротор и производит достаточно серьезное напряжение, которое превышает 220 вольт, необходимо установить понижающий трансформатор, который стабилизирует напряжение на требуемом уровне. Помните, чтобы все приборы в доме работали, должен быть строгий контроль самодельного электрогенератора на 220 вольт по напряжению.

Смотрим видео, этапы работ:

Для генератора, который будет работать на малых мощностях, в целях экономии можно использовать асинхронные двигатели с одной фазой от старых или ненужных бытовых электроприборов, например, стиральных машин, насосов для дренажа, газонокосилок, бензопил и т.д. Моторы от таких бытовых приборов следует подключать параллельно обмотке. Как вариант, можно использовать конденсаторы, сдвигающие фазы. Они достаточно редко разнятся по необходимой мощности, так что потребуется ее увеличение до требуемых показателей.

Подобные генераторы очень хорошо показывают себя при необходимости питания лампочек, модемов и прочих мелких приборов со стабильным активным напряжением. При определенных знаниях можно подключить электрогенератор к электропечке или обогревателю.

Готовый к эксплуатации генератор следует установить так, чтобы на него не влияли осадки и окружающая среда. Позаботьтесь о дополнительном кожухе, который защитит установку от неблагоприятных условий.

Советы по эксплуатации

Практически каждый асинхронный генератор, будь это бесщеточный, электрический, бензиновый или дизельный генератор, он считается прибором с достаточно высоким уровнем опасности. Обращайтесь с таким оборудованием очень аккуратно и держите всегда защищённым от внешнего погодного и механического воздействия или изготовьте для него кожух.

Смотрим видео, дельные советы специалиста:

Любой автономный агрегат следует оснащать специальными измерительными приборами, которые будут фиксировать и отображать данные об эффективности работы. Для этого можно использовать тахометр, вольтметр и частотомер.

Оборудуйте генератор кнопкой включения и выключения по возможности. Для запуска можно использовать ручной старт.
Некоторые электрогенераторы требуется заземлять перед использованием, внимательно оцените территорию и выберите место для установки.
При преобразовании механической энергии в электроэнергию, иногда коэффициент полезного действия может падать до 30%.
Если не уверены в силах или боитесь сделать что-либо не так, советуем приобрести генератор в соответствующем магазине. Порой риски могут обернуться крайне плачевно…
Следите за температурой асинхронного генератора и его тепловым режимом.

Итоги

Несмотря на свою простоту реализации, самодельные электрогенераторы – это очень кропотливая работа, требующая полной сосредоточенности на конструкции и правильному подключению. Целесообразна сборка с финансовой точки зрения только, если у вас уже имеется работоспособный и ненужный двигатель. В ином случае вы отдадите за основной элемент установки больше половины ее стоимости, и общие траты могут существенно превысить рыночную стоимость генератора.

Теперь вы знаете, как сделать электрогенератор и если твердо решили создать его, надеемся, вы получили ответы на все интересующие вопросы перед началом сборки и теперь с полным багажом знаний можете приступать к работе.

В заключение хотелось предложить вам сборку замечательного изобретения одного студента-инженера. Это слабенький, генератор, который может вас спасти в трудную минуту без траты денежных средств даже на топливо.

Как работает генератор?

Автомобильный генератор - это устройство, преобразующее механическую энергию (вращение), поступающую от коленчатого вала двигателя, в электрическую.

Ваш двигатель работает на воздухе, топливе... и искре. Именно искра в каком-то смысле находится в центре всего этого, а для её получения нам нужно электричество. Ваш аккумулятор снабжает свечи электроэнергией, но вот только такой энергии лишь от аккумулятора достаточно, чтобы проехать по дороге всего несколько километров. Нам нужно гораздо больше электроэнергии, чтобы снабжать двигатель искрой, наши глаза - освещением, а нас самих - комфортом от кондиционера или печки и огромного числа других приборов в автомобиле, работающих на электричестве. Вот где к нам на помощь приходит генератор, который постоянно заряжает батарею так, чтобы нам никогда (или почти никогда) не пришлось беспокоиться о том, что у нас не хватает зарядки аккумулятора. Так как работает генератор в автомобиле?

Как уже говорилось выше, генератор работает по принципу превращения одного вида энергии в другую. Автомобильный генератор состоит из трёх основных компонентов: статора, ротора и регулятора напряжения (в старых моделях автомобилей последние представляли собой отдельный узел). Когда ремень генератора, получающий привод от вращения двигателя, вращает шкив в генераторе, внутри генератора крутится ротор. Ротор представляет собой магнит или группу магнитов, которые крутятся внутри гнезда медных проводов. Эти провода расположены в форме обмотки, и их называют статором.

Не сильно вдаваясь в подробности, отметим, что в работе автомобильного генератора лежит довольно гениальный закон физики, когда магнитный поток, пронизывающий катушку проводов, изменяется, то в определённых местах этой катушки образуется напряжение. Этот закон физики называется электромагнитной индукцией (неудивительно, если Вы его не знаете, ведь мы все проходили его ещё в школе).

Последний шаг в этой цепи - регулятор напряжения генератора. В современных генераторах это встроенный компонент (раньше стабилизаторы напряжения представляли собой большие черные ящики, которые должны были быть прикреплены болтами где-то под капотом). Регулятор напряжения играет роль ограничителя, который будет перекрывать подачу напряжения, если напряжение, производимое генератором, поднимается выше определённого уровня - как правило, этот уровень составляет 14,5 вольт. Это защищает аккумулятор от перегорания.

howcarworks.ru