Генератор электрического тока. Генераторы электрического тока

Генератор электрического тока

Наверняка каждый из нас открыл для себя истину, что наличие домашней электрической сети – не залог того, что ток будет подаваться в ваш дом бесперебойно. А у некоторых из нас имеется собственность в местности, куда электричество просто не проведено. В этом случае есть выход - генератор электрического тока. Речь в статье пойдет о том, как работает это устройство и о критериях его выбора для собственного пользования.

Как работает генератор электрического тока?

Вообще, электрогенераторы – это электрические машины, которые служат для того, чтобы преобразовывать энергию механическую в электрическую. Принцип действия генератора электрического тока работает на явлении электромагнитной индукции. Согласно нему в проводе, который двигается в магнитном поле, наводится ЭДС, то есть электродвижущаяся сила. В генераторе применяются электромагниты в виде обмоток из медного провода или катушек индуктивности. Когда проволочная катушка начинает вращаться, на ней вырабатывается электрический ток. Но это происходит лишь в том случае, если ее витки пересекают магнитное поле.

Виды генераторов электрического тока

В первую очередь электрогенераторы производят постоянный и переменный ток. Электрический генератор постоянного тока, состоящий из неподвижного статора с дополнительными обмотками и вращающегося ротора (якоря), служит для создания постоянного тока. Такие устройства используются в основном на предприятиях металлургии, в общественном транспорте и морских судах.

Электрические генераторы переменного тока превращают из механической энергии переменный ток путем вращения прямоугольного контура вокруг неподвижного магнитного поля или наоборот. То есть ротор за счет вращения в магнитном поле вырабатывает электроэнергию. Причем у генератора переменного тока такие вращающиеся движения совершаются намного быстрее, нежели в генераторе постоянного тока. Кстати, для дома применяются генераторы электрического тока переменного.

Кроме того, различаются генераторы по виду источника энергии. Они бывают ветровыми, дизельными, газовыми или бензиновыми. Самыми популярными изделиями на рынке генераторов электрического тока считаются бензиновые, благодаря довольно простой эксплуатации и сравнительно невысокой стоимости. В целом такой прибор представляет собой генератор, соединенный с бензиновым двигателем. За 1 час работы такое устройство расходует до 2,5 л. Правда, такой генератор подходит лишь для экстренного источника тока, поскольку в сутки они могут вырабатывать ток максимум 12 часов.

Газовый генератор отличается выносливостью и экономностью. Работает такой агрегат как от газопровода, так и от сжиженного газа в баллонах. Хорошим ресурсом работы обладает дизельный электрический генератор тока. Прибор потребляет около 1-3 л топлива в час, но зато намного мощнее и подходит для постоянного электроснабжения даже большого дома.

Экологичностью отличаются ветровые электрогенераторы. К тому же ветер – бесплатное топливо. Однако стоимость самого агрегата высокая, да и габариты его немаленькие.

Как выбрать генератор электрического тока для дома?

Перед покупкой прибора важно определиться с его мощностью. Заранее следует рассчитать суммарную мощность, которая будет потребляться всеми вашими приборами, добавив небольшой запас (около 15-30 %). Кроме того, обратить внимание стоит и на тип топлива. Самыми выгодными считаются генераторы, работающие на газу. Экономным считается дизельный генератор, но сам прибор стоит немало. Бензиновый электрогенератор стоит сравнительно недорого, но топливо расходуется больше. Так же учтите при покупке тип фазы. Трехфазовые генераторы электрического тока, работающие с напряжением 380 В, универсальны. Если у вас нет дома трехфазовых приборов, вам подойдет агрегат, работающий с фазой в 230 В.

womanadvice.ru

Электрический генератор

Электри́ческий генера́тор — это устройство, в котором неэлектрические виды энергии (механическая, химическая, тепловая) преобразуются в электрическую энергию.

История

До того, как была открыта связь между электричеством и магнетизмом, использовались электростатические генераторы, которые работали на основе принципов электростатики. Они могли вырабатывать высокое напряжение, но имели маленький ток. Их работа была основана на использовании наэлектризованных ремней, пластин и дисков для переноса электрических зарядов с одного электрода на другой. Заряды вырабатывались, используя один из двух механизмов:

Электростатическую индукцию

Трибоэлектрический эффект, при котором электрический заряд возникал из-за механического контакта двух диэлектриков

По причине низкой эффективности и сложностей с изоляцией машин, вырабатывающих высокие напряжения, электростатические генераторы имели низкую мощность и никогда не использовались для выработки электроэнергии в значимых для промышленности масштабах. Примерами доживших до наших дней машин подобного рода являются электрофорная машина и генератор Ван де Граафа.

Динамо-машина Йедлика

В 1827 венгр Аньош Иштван Йедлик начал экспериментировать с электромагнитными вращающимися устройствами, которые он называл электромагнитные самовращающиеся роторы. В прототипе его униполярного электродвигателя (был завершен между 1852 и 1854) и стационарная и вращающаяся части были электромагнитные. Он сформулировал концепцию динамо-машины по меньшей мере за 6 лет до Сименса и Уитстона, но не запатентовал изобретение, потому что думал, что он не первый, кто это сделал. Суть его идеи состояла в использовании вместо постоянных магнитов двух противоположно расположенных электромагнитов, которые создавали магнитное поле вокруг ротора. Изобретение Йедлика на десятилетия опередило его время.

Диск Фарадея

В 1831—1832 Майкл Фарадей открыл принцип работы электромагнитных генераторов. Принцип, позднее названный законом Фарадея, заключался в том, что разница потенциалов образовывалась между концами проводника, который двигался перпендикулярно магнитному полю.

Он также построил первый электромагнитный генератор, названный «диском Фарадея», который являлся униполярным генератором, использовавшим медный диск, вращающийся между полюсами подковообразного магнита. Он вырабатывал небольшое постоянное напряжение и сильный ток.

Конструкция была несовершенна, потому что ток самозамыкался через участки диска, не находившиеся в магнитном поле. Паразитный ток ограничивал мощность, снимаемую с контактных проводов и вызывал бесполезный нагрев медного диска. Позднее в униполярный генераторах удалось решить эту проблему, расположив вокруг диска множество маленьких, распределенных по всему периметру диска, чтобы создать равномерное поле и ток только в одном направлении.

Другой недостаток состоял в том, что выходное напряжение было очень маленьким, потому что образовывался только один виток вокруг магнитного потока. Эксперименты показали, что используя много витков провода в катушке можно получить часто требовавшееся более высокое напряжение. Обмотки из проводов стали основной характерной чертой всех последующих разработок генераторов.

Однако, последние достижения (редкоземельные магниты), сделали возможными униполярные двигатели с магнитом на роторе, и должны внести много усовершенствований в старые конструкции.

Динамо-машина

Основная статья Динамо-машина

Динамо-машина стала первым электрическим генератором, способным вырабатывать мощность для промышленности. Работа динамо-машины основана на законах электромагнетизма для преобразования механической энергии в пульсирующий постоянный ток. Постоянный ток вырабатывался благодаря использованию механического коммутатора. Первая динамо-машина была построена Hippolyte Pixii в 1832.

Пройдя ряд менее значимых открытий, динамо-машина стала прообразом, из которого появились дальнейшие изобретения, такие как двигатель постоянного тока, генератор переменного тока, синхронный двигатель, роторный преобразователь.

Динамо-машина состоит из статора, который создает постоянное магнитное поле, и набора вращающихся обмоток, вращающихся в этом поле. На маленьких машинах постоянное магнитное поле могло создаваться с помощью постоянных магнитов, у крупных машин постоянное магнитное поле создается одним или несколькими электромагнитами, обмотки которых обычно называют обмотками возбуждения.

Большие мощные динамо-машины сейчас можно редко где увидеть, из-за большей универсальности использования переменного тока на сетях электропитания и электронных твердотельных преобразователей постоянного тока в переменный. Однако до того, как был открыт переменный ток, огромные динамо-машины, вырабатывающие постоянный ток, были единственной возможностью для выработки электроэнергии. Сейчас динамо-машины являются редкостью.

Другие электрические генераторы, использующие вращение

Без коммутатора динамо-машина является примером генератора переменного тока. С электромеханическим коммутатором динамо-машина - классический генератор постоянного тока. Генератор переменного тока должен всегда иметь постоянную частоту вращения

ротора и быть синхронизирован с другими генераторами в сети распределения электропитания. Генератор постоянного тока может работать при любой частоте ротора в допустимых для него пределах, но вырабатывает постоянный ток.

МГД генератор

Магнитогидродинамический генератор напрямую вырабатывает электроэнергию из энергии движущейся через магнитное поле плазмы без использования вращающихся частей. Разработка генераторов этого типа началась потому, что на выходе его высокотемпературные продукты сгорания, которые можно использовать для нагрева пара в парогазовых электростанциях и таким образом, повысить общий КПД.

Электромеханические индукционные генераторы

На сегодняшний день наиболее распространённым типом является индукционный электромеханический генератор. Абсолютное большинство тепловых, гидравлических, ветряных, атомных, приливных, геотермальных электростанций, а так же некоторые солнечные используют этот тип генератора.

Электромеханический генера́тор — это электрическая машина, в которой механическая работа преобразуется в электрическую энергию.

— устанавливает связь между ЭДС и скоростью изменения магнитного потока пронизывающего обмотку генератора.

3. 1. Классификация электромеханических генераторов

По типу первичного двигателя:

Турбогенератор — электрический генератор, приводимый в движение паровой турбиной или газотурбинным двигателем;

Гидрогенератор — электрический генератор, приводимый в движение гидравлической турбиной;

Дизель-генератор — электрический генератор, приводимый в движение дизельным двигателем;

Газотурбинный генератор - электрический генератор, приводимый в движение газотурбинным двигателем;

Паро-генератор — электрический генератор, приводимый в движение паровой турбиной;

Ветро-генератор - электрический генератор, преобразующий в электричество кинетическую энергию ветра;

По виду выходного электрического тока

Генератор постоянного тока

Коллекторные генераторы

Вентильные генераторы

Генератор переменного тока

Однофазный генератор

Бесщёточный синхронный генератор

Трёхфазный генератор

С включением обмоток звездой

С включением обмоток треугольником

По способу возбуждения

С возбуждением постоянными магнитами

С внешним возбуждением

С самовозбуждением

С последовательным возбуждением

С параллельным возбуждением

Со смешанным возбуждением

mirznanii.com

Что такое генератор

Чтобы понять, что такое генератор, прежде всего, следует разобраться, для чего он предназначен и по какому принципу работает.

Разновидности электрогенераторов для выработки электроэнергии

Наиболее распространён электрогенератор – устройство для выработки электрической энергии путём преобразования механической.

Действие заключается в наведении ЭДС в перемещающемся в магнитном поле проводнике. При этом на его концах появляется напряжение, а при их подключении к нагрузке появляется электрический ток.

Энергетика применяет генератор электрического тока, работающий по принципу вращения классической электропроводной рамки в магнитном поле с образованием в ней ЭДС.

Если замкнуть через контактные кольца внешнюю цепь с нагрузкой, через неё будет проходить электрический ток, что будет видно по показаниям электрического прибора.

Образование в проводнике электрического тока при его вращении в магнитном поле

Направление движения электрического тока определяется, если отогнуть в сторону большой палец правой руки. В ладонь будут входить магнитные силовые линии, большой палец показывает направление, куда движется проводник, а остальные пальцы – направление течения индукционного тока.

Рамка связана со щётками, которые скользят по коллектору из двух полуколец. Таким путём система через подвижные контакты преобразует переменный ток.

Когда рамка находится в горизонтальном положении, направление ЭДС меняется на противоположное. За счёт этого ток во внешней цепи поддерживается постоянным. Он является пульсирующим, достигая максимума в вертикальном положении рамки, и нулевым – в горизонтальном (показано на рисунке выше – а). Пульсация уменьшается, если установить 2 витка перпендикулярно друг к другу, а количество пластин коллектора увеличить до четырёх (показано на рисунке выше – б).

Генератор постоянного тока

Первый генератор был изготовлен на постоянном токе, довольно долго выработка электрической энергии производилась с его применением.

Особенности конструкции

Магнитное поле вырабатывается индуктором, а та часть, где наводится ЭДС, называется якорем. Индуктором является неподвижная часть, называемая статором. Он делается на постоянных магнитах или в виде электромагнита из двух и более полюсов.

Генератор на постоянных магнитах является маломощным и на практике применяется редко. При этом пространство между магнитами обладает большим сопротивлением. В большинстве конструкций генераторов применяются электромагниты.

Генератор с электромагнитным возбуждением

Якорь выполняется массивным, с пазами для обмотки. Его витки подключают последовательно друг с другом через коллекторные пластины. В результате образуются соединённые между собой источники ЭДС, работающие сообща. Есть также другие способы подключения.

При отсутствии нагрузки магнитное поле статора располагается симметрично относительно вертикальной оси. Когда в якорной цепи появляется электрический ток, образуется магнитный поток, который преобразует поле статора, поворачивая его в направлении вращения. Это негативно отражается на работе генератора, поскольку вызывает искрение контактной группы. Уменьшить его можно поворотом щёток в направлении вращения. Искажение поля зависит от силы тока и щётки требуется перемещать в разные положения. Кроме того, уменьшается индуктируемая ЭДС.

Ослабить реакцию якоря можно следующими способами:

установка дополнительных полюсных пар;
закладка обмоток компенсации в главные полюса.

В результате реакция якоря нейтрализуется. Установка обмоток компенсации делает конструкцию генератора сложней.

Если требуется увеличение энергии для генератора, оба способа применяются вместе. По возможности стараются обойтись одними дополнительными полюсами.

Как выглядит генератор с добавочными полюсами

Поскольку при разных нагрузках реакция якоря изменяется, его обмотку подключают к дополнительным полюсам статора последовательно, что уменьшает искажение основного магнитного поля.

Параметры генератора

Индуцируемая ЭДС определяется следующими параметрами:

E = CFω, где

F – основной магнитный поток;
ω – частота вращения;
С – коэффициент, учитывающий особенности устройства.

Напряжение на выходе составляет:

Uг = E — IяRя, где

Iя – ток якоря,
Rя – сопротивление якорной цепи.

Первый основной параметр генератора – это его мощность:

Pг = IгUг, где

Iг – ток нагрузки.

Важным показателем является способ возбуждения. Он может быть независимым, если обеспечивается дополнительным источником питания.

Способы подключения обмоток возбуждения: а) способ возбуждения, который обеспечивается дополнительным источником питания; б) параллельное самовозбуждение; в) последовательное самовозбуждение; г) смешанное самовозбуждение

Самовозбуждение обмотки создаётся за счёт наличия остаточного магнетизма в сердечнике якоря, индуцирующего в процессе вращения незначительную ЭДС.

Несмотря на то, что магнитный поток в начальный момент мал, он усиливает поток на полюсах, и ток начинает расти, пока не достигнет номинала.

Различают три типа генераторов с самовозбуждением:

Параллельное – ток, вырабатываемый в якорной обмотке большей частью проходит в главную силовую цепь, и только незначительная часть – по обмотке возбуждения.
Последовательное – по обмотке якорных полюсов и по силовой цепи проходит весь вырабатываемый генератором ток.
Смешанное – две обмотки возбуждения подключены параллельно и последовательно.

Генератор переменного тока

Устройство служит для преобразования механической энергии в переменный ток. Большая часть моделей имеют вращающиеся электромагниты (роторы) внутри неподвижных обмоток (статоры).

Принцип действия

За один оборот электромагнита ЭДС два раза меняет своё направление.

На рисунке ниже изображена схема генератора на постоянном магните, вращающегося внутри контура из проволочной рамки. Активно здесь работают только вертикальные части, пересекаемые линиями магнитного поля.

Схема генератора переменного тока

Индуктируемые ЭДС каждой стороны складываются, и её значение определяется из соотношения:

e = 2Blv sin ωt = ωFm sin ωt, где

В – индукция магнитного поля, Тл;
l – длина вертикальной стороны рамки;
v – линейная скорость;
t – время;
Fm – максимальный магнитный поток.

Индуктируемая ЭДС изменяется по синусоидальному закону, где

ωFm – амплитуда ЭДС,
ωt – фаза ЭДС.

Для выработки большей энергии применяется электромагнитный ротор, состоящий из стального сердечника, в пазах которого располагается обмотка.

Он является вращающимся электромагнитом, а в обмотке неподвижного статора наводится ЭДС.

Электромагнитное поле создаётся подводом небольшого тока к обмотке ротора. Для этого применяется скользящая контактная группа, подключённая к обмотке. Ток подводится от аккумулятора, другого источника или в результате самовозбуждения.

Потребление энергии со статора является максимальным, и отводить ток удобно с неподвижных обмоток.

Статор собран из листовой трансформаторной стали. Он имеет пазы, куда вкладывается обмотка.

Ротор делается сплошным, но его полюса собираются из листа. Они располагаются с минимальным зазором от статора, чтобы магнитная индукция была максимальной.

Трехфазный генератор

Количество фаз в генераторе может быть от одной до трёх. Однофазные модели применяются при небольшом потреблении энергии. Трехфазные обмотки соединяются в звезду или треугольник. Самой распространённой схемой является «Звезда» с нейтральным проводом.

Схема подключения нагрузки к генератору «Звезда»

Слева изображены обмотки генератора, где стрелками указаны направления ЭДС ЕА, ЕВ, ЕС. Справа находятся нагрузки ZA, ZB, ZC, также соединённые звездой.

Напряжение между фазами и нейтралью обозначены UA, UB, UC, а между двумя фазами – UAB, UBC, UCA.

С генератора токи IA, IB, IC текут на нагрузки и возвращаются через нейтраль назад.

Если не использовать нейтраль, то несимметричная нагрузка может вызвать перекос фаз, что снижает напряжение на одной фазе и увеличивает на другой.

Синхронный и асинхронный генераторы

Синхронный генератор содержит ротор с обмоткой возбуждения, на которую через коллектор подаётся напряжение постоянного тока.

При вращении ротора в статорной обмотке возбуждается однофазное или трёхфазное напряжение. По ней протекает электрический ток, при изменении которого может измениться нагрузка на валу ротора. При этом меняется частота с напряжением. Для поддержания их стабильными предусмотрено регулирование в виде обратной связи через обмотку ротора по напряжению и току.

Устройство генератора: а) синхронный; б) асинхронный

Ротор асинхронного генератора выполнен короткозамкнутым, в виде «беличьей клетки». На него не подаётся напряжение, а электрический ток в обмотке индуцируется за счёт влияния остаточного магнетизма. При этом образуется вращающееся магнитное поле, которое наводит в статорной обмотке напряжение.

В асинхронном генераторе отсутствует возможность управления параметрами через обмотку ротора. Управление производится изменением электрической нагрузки на обмотке статора.

Синхронный генератор обладает способностью поддерживать точные значения напряжения и частоты. У асинхронного генератора эти показатели изменяются в широких пределах. Он больше боится перегрузок в установившемся режиме и имеет склонность к перегреву обмотки статора.

Несмотря на недостатки, он более распространён из-за простоты конструкции, неприхотливости и относительной дешевизны.

Синхронному генератору отдаётся предпочтение при повышенных требованиях электрических приёмников к стабильности частоты и напряжения, а также при наличии реактивных нагрузок и перегрузок в переходных режимах.

Видео про линейный генератор

Про конструкцию, особенности и принцип работы линейного генератора можно узнать из данного видео.

Генератор является важным источником электрической энергии, от которого зависит работа всех электрических приборов. При отсутствии или сбоях в центральном электроснабжении целесообразно приобрести небольшой генератор для частного дома. Главным параметром устройства является мощность, которая не должна быть меньше потребляемой. Генератор требует качественного сервисного обслуживания, ухода и правильной эксплуатации.

Оцените статью:

elquanta.ru

Электрический генератор — WiKi

Динамо-машина Йедлика

В 1827 венгерский физик Аньош Иштван Йедлик начал экспериментировать с электромагнитными вращающимися устройствами, которые он называл электромагнитные самовращающиеся роторы. В прототипе его униполярного электродвигателя (был завершён между 1853 и 1856 годами) и стационарная, и вращающаяся части были электромагнитные. Он сформулировал концепцию динамо-машины по меньшей мере за 6 лет до Сименса и Уитстона, но не запатентовал изобретение, потому что думал, что он не первый, кто это сделал. Суть его идеи состояла в использовании вместо постоянных магнитов двух противоположно расположенных электромагнитов, которые создавали магнитное поле вокруг ротора. Изобретение Йедлика на десятилетия опередило его время.

Диск Фарадея

В 1831 году Майкл Фарадей открыл принцип работы электромагнитных генераторов. Принцип, позднее названный законом Фарадея, заключался в том, что разница потенциалов образовывалась между концами проводника, который двигался перпендикулярно магнитному полю. Он также построил первый электромагнитный генератор, названный «диском Фарадея», который являлся униполярным генератором, использовавшим медный диск, вращающийся между полюсами подковообразного магнита. Он вырабатывал небольшое постоянное напряжение и сильный ток.

Конструкция была несовершенна, потому что ток самозамыкался через участки диска, не находившиеся в магнитном поле. Паразитный ток ограничивал мощность, снимаемую с контактных проводов и вызывал бесполезный нагрев медного диска. Позднее в униполярных генераторах удалось решить эту проблему, расположив вокруг диска множество маленьких магнитов, распределённых по всему периметру диска, чтобы создать равномерное поле и ток только в одном направлении.

Динамо-машина

Динамо-машины больше не используются для выработки электроэнергии из-за их размеров и сложности коммутаторов. Эта большая приводимая в действие ременной передачей сильноточная динамо-машина выдавала ток 310 ампер и напряжение 7 вольт или 2170 ватт, когда вращалась с частотой 1400 об/мин.

Динамо-машина стала первым электрическим генератором, способным вырабатывать мощность для промышленности. Её работа основана на законах электромагнетизма для преобразования механической энергии в пульсирующий постоянный ток. Постоянный ток вырабатывался благодаря использованию механического коммутатора. Первую динамо-машину построил Ипполит Пикси в 1832 году.

Динамо-машина состоит из статора, который создаёт постоянное магнитное поле, и набора обмоток, вращающихся в этом поле. На маленьких машинах постоянное магнитное поле могло создаваться с помощью постоянных магнитов, у крупных машин постоянное магнитное поле создаётся одним или несколькими электромагнитами, обмотки которых обычно называют обмотками возбуждения.

Большие мощные динамо-машины сейчас можно редко где увидеть, из-за большей универсальности использования переменного тока в сетях электропитания и электронных твердотельных преобразователей постоянного тока в переменный. Однако до того, как был открыт переменный ток, огромные динамо-машины, вырабатывающие постоянный ток, были единственной возможностью для выработки электроэнергии. Сейчас динамо-машины являются редкостью.

Обратимость электрических машин

Русский учёный Э. Х. Ленц ещё 1833 году указал на обратимость электрических машин: одна и та же машина может работать как электродвигатель, если её питать током, и может служить генератором электрического тока, если её ротор привести во вращение каким-либо двигателем, например паровой машиной. В 1838 году Ленц, один из членов комиссии по испытанию действия электрического мотора Якоби, на опыте доказал обратимость электрической машины.

Первый генератор электрического тока, основанный на явлении электромагнитной индукции, был построен в 1832 году парижскими техниками братьями Пиксин. Этим генератором трудно было пользоваться, так как приходилось вращать тяжёлый постоянный магнит, чтобы в двух проволочных катушках, укреплённых неподвижно вблизи его полюсов, возникал переменный электрический ток. Генератор был снабжён устройством для выпрямления тока. Стремясь повысить мощность электрических машин, изобретатели увеличивали число магнитов и катушек. Одной из таких машин, построенной в 1843 году, был генератор Эмиля Штерера. У этой машины было три сильных подвижных магнита и шесть катушек, вращавшихся от рук вокруг вертикальной оси. Таким образом, на первом этапе развития электромагнитных генераторов тока (до 1851 года) для получения магнитного поля применяли постоянные магниты. На втором этапе (1851—1867) создавались генераторы, у которых для увеличения мощности постоянные магниты были заменены электромагнитами. Их обмотка питалась током от самостоятельного небольшого генератора тока с постоянными магнитами. Подобная машина была создана англичанином Генри Уальдом в 1863 году.

При эксплуатации этой машины выяснилось, что генераторы, снабжая электроэнергией потребителя, могут одновременно питать током и собственные магниты. Оказалось, что сердечники электромагнитов сохраняют остаточный магнетизм после выключения тока. Благодаря этому генератор с самовозбуждением даёт ток и тогда, когда его запускают из состояния покоя. В 1866—1867 годах ряд изобретателей получили патенты на машины с самовозбуждением.

В 1870 году бельгиец Зеноб Грамм, работавший во Франции, создал генератор, получивший широкое применение в промышленности. В своей динамо-машине он использовал принцип самовозбуждения и усовершенствовал кольцевой якорь, изобретённый ещё в 1860 году А. Пачинотти.

В одной из первых машин Грамма кольцевой якорь, укреплённый на горизонтальном валу, вращался между полюсными наконечниками двух электромагнитов. Якорь приводился во вращение через приводной шкив, обмотки электромагнитов были включены последовательно с обмоткой якоря. Генератор Грамма давал постоянный ток, который отводился с помощью металлических щёток, скользивших по поверхности коллектора. На Венской международной выставке в 1873 году демонстрировались две одинаковые машины Грамма, соединённые проводами длиной 1 километр. Одна из машин приводилась в движение от двигателя внутреннего сгорания и служила генератором электрической энергии. Вторая машина получала электрическую энергию по проводам от первой и, работая как двигатель, приводила в движение насос. Это была эффектная демонстрация обратимости электрических машин, открытой Ленцем, и демонстрация принципа передачи энергии на расстояние.

Другие электрические генераторы, использующие вращение

Без коммутатора динамо-машина является примером генератора переменного тока. С электромеханическим коммутатором динамо-машина — классический генератор постоянного тока. Генератор переменного тока должен всегда иметь постоянную частоту вращения ротора и быть синхронизирован с другими генераторами в сети распределения электропитания. Генератор постоянного тока может работать при любой частоте ротора в допустимых для него пределах, но вырабатывает постоянный ток.

МГД генератор

Магнитогидродинамический генератор напрямую вырабатывает электроэнергию из энергии движущейся через магнитное поле плазмы или другой подобной проводящей среды (например, жидкого электролита) без использования вращающихся частей. Разработка генераторов этого типа началась потому, что на его выходе получаются высокотемпературные продукты сгорания, которые можно использовать для нагрева пара в парогазовых электростанциях и таким образом повысить общий КПД. МГД генератор является обратимым устройством, то есть может быть использован и как двигатель.

ru-wiki.org

Как работает генератор переменного тока?

Генератор превращает механическую энергию в электрическую путем вращения проволочной катушки в магнитном поле. Электрический ток вырабатывается и тогда, когда силовые линии движущегося магнита пересекают витки проволочной катушки {рисунок справа). Электроны {голубые шарики) перемещаются по направлению к положительному полюсу магнита, а электрический ток течет от положительного полюса к отрицательному. До тех пор, пока силовые линии магнитного поля пересекают катушку (проводник), в проводнике индуцируется электрический ток.

Аналогичный принцип работает и при перемещении проволочной рамки относительно магнита {дальний рисунок справа), т. е. когда рамка пересекает силовые линии магнитного поля. Индуцированный электрический ток течет таким образом, что его поле отталкивает магнит, когда рамка приближается к нему, и притягивает, когда рамка удаляется. Каждый раз, когда рамка изменяет ориентацию относительно полюсов магнита, электрический ток также изменяет свое направление на противоположное. Все то время, пока источник механической энергии вращает проводник (или магнитное поле), генератор будет вырабатывать переменный электрический ток.

Принцип действия генератора переменного тока

Простейший генератор переменного тока состоит из проволочной рамки, вращающейся между полюсами неподвижного магнита. Каждый конец рамки соединен со своим контактным кольцом, скользящим по электропроводной угольной щетке (рисунок над текстом). Индуцированный электрический ток течет к внутреннему контактному кольцу, когда соединенная с ним половина рамки проходит мимо северного полюса магнита, и, наоборот, к внешнему контактному кольцу, когда мимо северного полюса проходит другая половина рамки.

Трехфазный генератор переменного тока

Одним из наиболее экономически выгодных способов выработки сильного переменного тока является использование одного магнита, вращающегося относительно нескольких обмоток. В типичном трехфазном генераторе три катушки расположены равноудалено от оси магнита. Каждая катушка вырабатывает переменный ток, когда мимо нее проходит полюс магнита (правый рисунок).

Изменение направления электрического тока

Когда магнит вдвигается в проволочную катушку, он индуцирует в ней электрический ток. Этот ток заставляет стрелку гальванометра отклоняться в сторону от нулевого положения. Когда магнит вынимается из катушки, электрический ток изменяет свое направление на противоположное, и стрелка гальванометра отклоняется в другую сторону от нулевого положения.

Переменный ток

Магнит не будет индуцировать электрический ток до тех пор, пока его силовые линии не начнут пересекать проволочную петлю. Когда полюс магнита вдвигается в проволочную петлю, в ней индуцируется электрический ток. Если магнит прекращает движение, электрический ток (голубые стрелки) также прекращается (средняя диаграмма). Когда магнит вынимается из проволочной петли, в ней индуцируется электрический ток, текущий в противоположном направлении.

information-technology.ru

Принцип действия генератора электрического тока в кране

Строительные машины и оборудование, справочник

Категория:

Электрическое оборудование

Принцип действия генератора электрического тока в кране

Электрической машиной называется устройство, служащее для преобразования механической энергии в электрическую или, наоборот, электрической энергии в механическую. В первом случае машина называется электрическим генератором, во втором — электродвигателем. Принцип действия электрических машин основан на законах электромагнитной индукции и действия электромагнитных сил. Для работы любой электрической машины необходимо наличие магнитного поля и проводников, по которым протекает ток.

Одна и та же электрическая машина может быть генератором, тока или двигателем. Рассмотрение устройства машин постоянного тока удобнее начать с генераторов, т. е. машин, которые производят электрический ток. Любой генератор состоит из устройства, служащего для создания магнитного потока, и электрической обмотки, в которой наводится ЭДС. У генераторов постоянного тока обмотка обычно размещается на вращающейся части, называемой якорем. Якорь располагается между полюсами, создающими магнитное поле. При вращении якоря механическим двигателем в этом магнитном поле в обмотке наводится ЭДС, которая прямо пропорциональна частоте вращения и магнитному потоку. С помощью коллектора и щеток ток подается во внешнюю цепь.

Аналогично устроены и генераторы переменного тока, только у них основная обмотка, как правило, размещается на неподвижной части машины — статоре, а магнитное поле создается магнитными полюсами, расположенными на вращающейся части — роторе.

Генераторы постоянного тока вырабатывают по сути дела переменное напряжение, которое выпрямляется особым устройством — коллектором. Рассмотрим работу простейшего генератора переменного тока (рис. 3.1), который приводится во вращение каким-либо механическим двигателем и преобразует механическую энергию в электрическую.

Рис. 3.1. Схематическое устройство простейшего генератора переменного тока

Будем считать, что якорь вращается с постоянной скоростью в направлении против часовой стрелки. Так как проводники аЬ и ей находятся в одинаковых условиях относительно полюсов С и Ю, то достаточно рассмотреть процесс создания ЭДС только в одном проводнике, например в проводнике аЪ.Направление наводимой ЭДС определяется по правилу правой руки. Ладонь правой руки надо расположить в магнитном поле так, чтобы магнитные силовые линии были направлены в ладонь, а большой палец был отведен на 90° в плоскости ладони и направлен в сторону движения проводника. Тогда остальные пальцы руки покажут направление наведенной в проводнике ЭДС (рис. 3.2). Напомним, что принято считать магнитные силовые линии исходящими из северного полюса.

Рис. 3.2. Правило правой руки

Из рис. 3.3 видно, что каждая щетка соединена через кольцо только с одним проводником: щетка А — с проводником ab, а щетка В — с проводником cd. Значит, на зажимах внешней цепи имеется переменное во времени напряжение и по ней течет переменный ток частотой /. Итак, внутри машины получается переменный ток, но во внешнюю цепь можно выдавать постоянный или выпрямленный ток. Для этого применяют специальное устройство — коллектор, по сути дела являющийся механическим выпрямителем.

Принцип действия его состоит в следующем. Концы витка ab-cd присоединяются не к двум кольцам, как было сделано вначале, а к одному кольцу, разрезанному по диаметру, обе половинки которого изолированы друг от друга и от вала, на который они насажены. На эти полукольца или пластины коллектора наложены щетки А и В, к которым присоединяется внешняя цепь. Только теперь положение щеток на пластинках не безразлично, как на рис. 3.1, а имеет существенное значение.

С целью выпрямить переменный ток надо поставить щетки так, чтобы наводимая в витке ЭДС была равна нулю в момент перехода щетки с одной пластины на другую (рис. 3.3).

Рис. 3.3. Схема простейшего генератора постоянного тока

Тогда ток во внешней цепи будет протекать только в одном направлении — от щетки А к щетке В. Здесь происходит выпрямление наводимой в витке ab-cd переменной ЭДС в пульсирующую ЭДС, и ток во внешней цепи будет также пульсирующим, т. е. меняющимся по величине в течение периода в соответствии с изменением ЭДС, но направление его остается неизменным. Щетка А, от которой отводится ток во внешнюю цепь, является положительной и обозначается знаком плюс, а щетка В, через которую ток возвращается в машину — отрицательной и обозначается знаком минус. Чтобы пульсирующий ток стал постоянным током, необходимо сделать не две коллекторные пластины, а значительно больше, а также следует уложить на якорь обмотку, состоящую из большого числа проводников. Витки обмотки соединены с коллекторными пластинами по определенному закону.

Итак, мы ознакомились с устройством машины постоянного тока, являющейся генератором или источником электрической энергии. Но генератор может быть легко обращен в электрический двигатель. Для этого необходимо дать такое же напряжение постоянного тока на зажимы машины, какое она вырабатывала в качестве генератора. Это свойство электрических машин носит название обратимости. При работе такой машины в качестве двигателя коллектор попеременно посылает в секции обмотки якоря ток определенного направления.

Каждая машина постоянного тока состоит из следующих основных частей: неподвижной части станины, т. е. статора, предназначенного для создания магнитного потока; вращающейся части, или якоря; двух подшипниковых щитов. На статоре укреплены основные полюсы, служащие для создания основного магнитного потока, и добавочные полюсы, выравнивающие магнитный поток при работе машины, что необходимо для подавления искрения на коллекторе.

Рис. 3.4. Основной полюс

Якорь представляет собой цилиндрическое тело, вращающееся в пространстве между полюсами. Якорь имеет пазы, в которые уложены проводники обмотки. На одном валу с якорем насажен коллектор, к пластинам которого припаяны выводы от обмотки якоря. Зазор между якорем и неподвижной частью машины колеблется в пределах 0,7—3 мм для машин мощностью до 50 кВт, а в машинах большей мощности может достигать 10 мм. Сердечник 1 основного полюса (рис. 3.4) выполнен из листовой электротехнической стали толщиной 1 мм. Со стороны, обращенной к якорю, сердечник имеет полюсный наконечник 2, служащий для равномерного распределения магнитного потока через воздушный зазор. На сердечник полюса надета катушка обмотки возбуждения 3, по которой проходит постоянный ток. Катушка наматывается на каркас 4, выполняемый из листовой стали толщиной 1—2 мм, пластмассы или картона. Полюсы крепятся к статору 6 при помощи болтов 5.

Добавочные полюсы, так же как и основные, состоят из сердечника, оканчивающегося полюсным наконечником, и надетой на сердечник катушки. Добавочные полюсы устанавливают строго посередине между основными полюсами и крепят к станине болтами.

Станиной или статором называют неподвижную часть машины, к которой крепятся основные и добавочные полюсы и при помощи которой машина крепится к фундаменту или другому основанию. Станину делают из чугуна или стали с разъемом или без него в зависимости от типа и мощности машины. К станине крепятся подшипниковые щиты, поддерживающие подшипники, в которых вращается якорь.

Якорь машин постоянного тока представляет собой барабан с пазами, выполненный из листовой стали толщиной 0,5 мм. Частота перемагничивания якоря составляет 20—60 Гц. Листы набираются в осевом направлении и для уменьшения потерь от вихревых токов изолируются друг от друга лаком или бумагой толщиной 0,03— 0,05 мм. Листы якоря спрессовывают с обеих сторон нажимными приспособлениями, которые крепят на валу или стягивают болтами. Для улучшения охлаждения на вал якоря насаживают вентилятор.

Секции обмотки якоря изготовляют на шаблонах и укладывают в пазы якоря. Обмотку якоря присоединяют к коллектору, который выполняют из медных пластин трапецеидальной формы, изолированных друг от друга и от корпуса посредством слюды или миканитовых прокладок. Коллекторные пластины закрепляют на ласточкиных хвостах. После запрессовки коллектор обтачивают на станке, чтобы его поверхность имела правильную цилиндрическую форму. Концы секций якоря впаиваются в пластины коллектора.

Для подвода тока к вращающемуся коллектору и отвода от него тока применяют щеточный аппарат, состоящий из щеткодержателей, укрепленных на щеточных пальцах, и щеток, установленных в щеткодержателях. Все щеточные пальцы крепятся на общей траверсе, устройство которой показано на рис. 3.5.

Читать далее: Принцип действия двигателя трехфазного тока

Категория: - Электрическое оборудование

Главная → Справочник → Статьи → Форум

stroy-technics.ru

Магнитный генератор электрического тока

Область использования: генераторостроение. Сущность изобретения: генератор содержит два статора с обмотками и размещенный между ними ротор с постоянными магнитами, обращенными к статорам одноименными полюсами, на статорах установлены магнитоприемники, набранные из листов электротехнической стали. Технический результат: повышение ремонтопригодности. 5 ил.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для производства промышленного тока.

Известные генераторы электрического тока, дающие возможность производить электроэнергию при определенных условиях, а именно: генератор должен содержать статор, ротор, в пазах которых производится намотка и укладка соответствующего числа и определенной формы роторных и статорных обмоточных витков провода соответствующего сечения [1]. Ротор конструктивно должен находиться внутри статора и вращаться по оси с определенной скоростью с помощью внешнего силового устройства, которое приводит ротор во вращательное движение [2]. При пересечении витками ротора магнитного потока статора в них наводится ЭДС. Однако, эти генераторы имеют недостаток в том, что для их изготовления необходимы статор, ротор с соответствующим числом и определенной формы обмоточных витков провода соответствующего сечения. Ротор генератора конструктивно должен находиться внутри статора. Такие физико-технические и механические требования к генераторам потребовали создания сложных электрических машин, основные электромагнитные процессы которых протекают внутри самой машины, скрытые от визуальных наблюдений и контроля работы генераторов. Кроме того, современные генераторы имеют одну общую ось ротора, которая вместе с общим весом ротора пересекает всю внутреннюю продольную часть статора. Кроме того, при аварийных ситуациях, случающихся по техническим причинам внутри генератора, он полностью должен быть отключен от нагрузки и остановлен для выяснения причин и обстоятельств такой аварии и ремонта машины в целом. Ремонтные работы поврежденного генератора представляют собой длительный во времени процесс с привлечением дополнительно-денежных средств и людских ресурсов. Наиболее близким к изобретению по технической сущности и максимальному количеству сходных признаков является магнитный генератор электрического тока, содержащий два статора с обмотками и размещенный между статорами ротор с постоянными магнитами, обращенными полюсами к статорам [3]. Целью изобретения является повышение удобства обслуживания и ремонта. Указанная цель достигается тем, что в магнитном генераторе электрического тока, содержащим два статора с обмотками и размещенный между статорами ротор с постоянными магнитами, обращенными полюсами к статорам, статоры и ротор выполнены из магнитного материала, на статорах установлены магнитоприемники, набранные из листов электротехнической стали, на которых размещены катушки обмотки, а магниты обращены к каждому из статора одноименными полюсами. Ротор из немагнитного материала имеет ту же форму конструкции, что и статоры. По его окружности вмонтированы шесть постоянных магнитов. Ротор имеет собственную рабочую ось, приводимую во вращательное движение внешней силовой установкой. В основу механизма физических процессов настоящего магнитного генератора электрического тока заложена известная из электротехники магнитная и электромагнитная индукция. При таком техническом решении может быть создан конструктивно новый вид электротехнического устройства для производства электроэнергии, которое исполнено из отдельных независимых друг от друга механически и электротехнически агрегатов со свободным доступом для осмотра и ремонта статора и ротора. Кроме того, это дает возможность при определенном расположении магнитов на пассивном роторе по отношению к рабочим зазорам магнитоприемников, а также при определенных углах сдвига постоянных магнитов по отношению к магнитоприемникам, получать на выходе генератора переменные токи и напряжения необходимой формы в 1, 2, 3-фазном видах; постоянные по направлению и силе тока со знаком "+"; постоянные по направлению и силе тока со знаком "-"; постоянного тока в линии со знаком "

". Указанные токи, напряжения, их формы в настоящем генераторе можно получить путем соединения обмоток магнитоприемников статоров по известной в электротехнике схеме соединения обмоток. В качестве основных элементов генератора применены два однотипных одинаковых статора независимых механически и электрически друг от друга, ротора и остальных частей устройства. Данный генератор электрического тока свободен от физико-технических перенапряжений тяжелых условий работы, которые присущи известным в электротехнике современным электрическим машинам. Сопоставительный анализ с наиболее близким аналогом показывает, что заявляемый "магнитный генератор электрического тока" отличается от него тем, что ротор и статоры являются самостоятельными, раздельными и независимыми в конструкции и механике и отделены друг от друга как гальванически, так и в схематическом решении проблемы, что соответствует критерию "новизна". Сравнение заявляемого решения не только с прототипом, но и с другим техническими решениями в данной области техники не позволило выявить в них признаки, отличающие заявляемое решение от прототипа, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию "существенное отличие". Изобретение поясняется чертежом, где на фиг. 1 и 2 изображен общий вид магнитного генератора электрического тока, вид сбоку и спереди, а цифрами обозначены его основные детали магнитообразующие и генерирующие ЭДС устройства, и отдельные агрегаты в целом. Магнитный генератор электрического тока содержит два статора 1 правый и левый и размещенный между ними ротор 2 с постоянными магнитами 3, обращенными к каждому из статоров 1 одноименными полюсами. Статоры 1 и ротор 2 выполнены из немагнитного материала. На статорах 1 установлены магнитоприемники 4, набранные из листов электротехнической стали, на которых размещены катушки обмотки 5. Статоры 1 установлены на основаниях 6, которые закреплены на железобетонном основании 7. Ротор 2 также выполнен из немагнитного материала (сплавы алюминия, бронзы и т.п.) и имеет центральное отверстие для крепления рабочей оси 8, которая закреплена на основании 9 в шарикоподшипниках 10. Отверстия, болты, их расположение и другие детали показаны на фиг. 1 и 2. На фиг. 3 чертежа показана половина пластины для набора сердечника 11 магнитоприемника 4; на фиг. 4 чертеж в сборе магнитоприемника из двух половин пластин 12 и электротехнической стали (пармалой, феррит), где показаны рабочий зазор 13 магнитоприемника 4, рабочий зазор 14 между магнитоприемником 4 и магнитом 5 ротора 2, каркасы 15 катушек обмотки 5 из медных проводов 16, зазор 17 для регулировки магнитного поля в сердечнике 11. На фиг.5 показано крепление магнита 5. Сердечник ротора 11 магнитоприемника 4 собирают из материала с большой магнитной проницаемостью, которым может быть специальная электротехническая сталь толщиной 0,35-0,5 мм. Каждый такой лист стали сердечника 11 магнитоприемника 4 изолируется друг от друга специальным клеем или специальной пленкой. Для фиксации ширины рабочего зазора 13 магнитоприемника 4 он заполняется прокладкой из фосфортовой бронзы, или заменяющим ее немагнитным материалом. Рабочий зазор 17 может быть воздушным. Конструктивно сердечник 11 магнитоприемника 4 набирается из определенного числа половин пластин 12. Набор пакета сердечника 11 может быть от 50 см до нескольких метров. Собранный сердечник 11 магнитоприемника 4 устанавливается на свое место в пассивном статоре 1 с помощью двух кольцевых "обручей" с соответствующими отверстиями, через которые проходят болты крепления "обручей" магнитоприемников 4 и магнитов 3 с противоположных сторон статора 1. Детальная операция этой работы изображена на фиг.5. Работа магнитного генератора электрического тока заключается в том, что с помощью привода посторонней механической силы, действующей на рабочую ось 8 магнитного ротора 2, он начинает вращаться вокруг своей оси 8, увлекая вместе с собой в это круговое движение постоянные магниты 3, которые при вращении, проходя мимо рабочего зазора 13 магнитоприемников 4 статоров 2, создают в его сердечнике 11 переменное магнитное поле, которое в свою очередь наводит ЭДС в обмотках 5 магнитоприемников 4, которая с помощью соединительных проводников выводится на соответствующие клеммы. После достижения магнитным ротором 2 необходимых оборотов и показания электроизмерительным киловольтметром расчетного напряжения к выходу генератора подключается нагрузка. Может быть предпринята попытка перевода генератора в режим самовозбуждения. Данный магнитный генератор электрического тока устанавливается и монтируется в отдельном небольшом электротехническом помещении, в котором предусмотрены вытяжные и приточные вентиляторы, соответствующие электроизмерительные приборы, силовой коммутатор, трансформатор(ры) и защиты цепей машины и др. При этом никаких других операций или регулировок дополнительно производить не требуется. Применение на практике данного технического решения даст выгодный положительный эффект в вопросе экономии металла, резкого улучшения качественных показателей работы предлагаемого генератора во всех технических отношениях, упрощая и удешевляя все процессы от проекта до изготовления и эксплуатации электрических машин.

Формула изобретения

Магнитный генератор электрического тока, содержащий два статора с обмотками и размещенный между статорами ротор с постоянными магнитами, обращенными полюсами к статорам, отличающийся тем, что статоры и ротор выполнены из немагнитного материала, на статорах установлены магнитоприемники, набранные из листов электротехнической стали, на которых размещены катушки обмотки, а магниты обращены к каждому из статоров одноименными полюсами.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5