Принцип работы и устройство генератора переменного тока

В настоящее время для вырабатывания электрической энергии применяются в основном синхронные генераторы. Асинхронные машины используются чаще всего как двигатели.
Генераторы, производящие переменный ток, в общем случае состоят из неподвижной обмотки  — статора и подвижной – ротора.
Отличие синхронной машины от асинхронной состоит в том что в первых магнитное поле статора вращается одновременно с движением ротора, а в асинхронных либо опережает либо запаздывает от поля в ротора. Широкое распространение синхронных машин обусловлено их качественными параметрами. Синхронные генераторы вырабатывают высокостабильное напряжение, пригодное для подключения широкого спектра электроприборов. При КЗ в нагрузке или большой потребляемой мощности, по обмоткам статора протекает значительный ток, который может привести к выходу генератора из строя. Для таких машин обязательно наличие охлаждения – на вал ротора помещают турбину, охлаждающую всю конструкцию. В виду этого синхронные генераторы чувствительны к условиям окружающей среды. Асинхронные генераторы в большинстве случаев имеют закрытый корпус и нечувствительны к большому пусковому току энергопотребителей.
Однако для их работы нужен внешний мощный подмагничивающий ток. В целом асинхронные генераторы вырабатывают нестабильное напряжение. Достаточно широко такие генераторы распространены как источники энергии для сварочных аппаратов. Синхронные генераторы распространены как преобразователи механической энергии в электрическую на гидростанциях, ТЭЦ, в качестве бытовых бензо- и дизельгенераторов, в качестве бортовых источников энергии на транспорте.

Рис. 1

Статоры синхронного и асинхронного генератора не отличаются друг от друга по конструкции. Сердечник статора состоит из нескольких пластин электротехнической стали, изолированных между собой и собранных в единую конструкцию (Рис. 1 ). На пазы с внутренней стороны статора устанавливаются катушки обмоток. Для каждой фазы обмотка включает в себя две катушки, установленные напротив друг друга и соединенные последовательно. Такая схема обмоток называется двухполюсной. Всего на статоре установлено три катушечные группы (Рис. 2), со сдвигом в 120 градусов. Фазовые группы соединены между собой в «звездой» или  «треугольником». Встречаются катушечные группы с большим числом полюсов. Угол сдвига катушки относительно друг друга рассчитывается в общем случае по формуле (2π/3)/n, где n–количество полюсов обмотки.

Рис. 2

Ротор генератора представляет собой электромагнит, возбуждающий в статоре переменное магнитное поле. Для малогабаритных генераторов небольшой мощности зачастую на роторе расположены обычные магниты.

Рис. 3

Ротор синхронного генератора нуждается во внешнем возбудителе – генераторе постоянного тока, в простейшем случае установленному на том же валу что и ротор. Возбудитель должен обеспечивать изменение тока в роторе для регулирования режима работы и возможность быстрого гашения магнитного поля при аварийном отключении. Роторы различаются на явнополюсные и не явнополюсные. Конструкция  явнополюсных  роторов (Рис. 3)состоит из полюсов электромагнитов 1, образованных полюсными катушками 2, соединенными с сердечником 3. Возбуждение на обмотку подается через кольцевые контакты 4. Такие роторы применяются при небольшой частоте вращения, например в гидротурбинах. При более быстром вращении вала, возникают значительные центробежные силы, которые могут разрушить ротор.
В этом случае используют не явнополюсные роторы (Рис. 4). Не явнополюсный ротор содержит пазы 1, образованные в сердечнике 2. В пазах закрепляются роторные обмотки (на Рис. 4 условно не показаны). Внешнее возбуждение также передается через контакты 3. Таким образом, ротор с неявными полюсами представляет собой статор «наизнанку».

Рис. 4

Магнитное двухполюсное поле вращающего ротора можно заменить аналогичным полем постоянного магнита, вращающегося с угловой скоростью ротора. Направление тока в каждой обмотке определяется по правилу буравчика.
Если ток, например направлен от начала обмотки А к точке X, то такой ток будет условно принят за положительный  (Рис. 5 ). При вращении ротора в обмотке статора возникает переменный ток, со сдвигом по фазе в 2 π/3.Принцип работы и устройство генератора переменного тока

Рис. 5

Для привязки изменения тока фазы А к графику рассмотрим вращение по часовой стрелки. В начальный момент времени, магнитное поле ротора не создает ток в катушечной группе фазы А, (Рис. 6, положение а). В обмотке фазы B действует отрицательный (от конца обмотки к началу), а в обмотке фазы С – положительный токи. При дальнейшем вращении ротор сдвигается на 90 градусов вправо (Рис.6, б). Ток в обмотке А занимает максимальное положительное значение, а в фазовых обмотках Bи С – промежуточное отрицательное. Магнитное поле ротора сдвигается еще на четверть периода, ротор сдвинут на угол в 180 градусов(Рис. 6, в). Ток в обмотке А снова достигает нулевого значения, в обмотке В положительный, в обмотке фазы С – отрицательный. При дальнейшим вращении ротора в точке фазовый ток обмотке А достигает максимального отрицательного значения, ток в обмотках В и С – положительный (Рис. 6, г). Дальнейшее вращение ротора повторяет все предыдущие фазы.Принцип работы и устройство генератора переменного тока
 

Рис. 6

Синхронные генераторы предназначены для подключения нагрузки  с большим коэффициентом мощности (cosϕ>0.8). При росте индуктивной составляющей нагрузки возникает эффект размагничивания ротора, приводящий к снижению напряжения на выводах. Для его компенсации, приходится увеличивать ток возбуждения, приводящий к увеличению температуры обмоток. Емкостная нагрузка напротив, увеличивает подмагничивание ротора и увеличивает напряжение. Однофазные генераторы достаточно мало распространены  в промышленности. Для получения однофазного тока фазовые обмотки трехфазного соединяют в общую цепь. При этом возникают небольшие потери по мощности по сравнению с трехфазным включением.

Источник: https://elektronchic.ru/elektrotexnika/princip-raboty-i-ustrojstvo-generatora-peremennogo-toka.html

************************************

Чем мне понравилась данная статья? Если вы не заметили, то на 5 и 6 рисунках изображена позиция наведения ЭДС в проводах фазы, которые уложены в паза металлического статора. Данная позиция применяется для объяснения работы синхронного генератора инженерам-электрикам работающим в конструировании непосредственно с электромеханических  устройств, при этом проектирование генераторов считается высшим пилотажем такого конструирования. В пазу статора никогда не будет магнитной индукции которая будет достаточна для выполнения условия для формулы ЭДС, которая применяется к классическому, простейшему генератору, на основе движения проводника в магнитном поле или наоборот. 

На слайде две позиции которые объясняют положение проводника при наведении индукции в пазу статора. Первая позиция относится к одному варианту вторая к основному.

Узнать больше:

Изобретение электромагнитного генератора

Серж Ракарський                 

Слава Україні! Героям Слава!