Что включает генераторная установка переменного тока

Генераторные установки переменного тока

Генераторы постоянного тока долгое время были единственным типом источников электрической энергии, применявшихся для пи­тания потребителей и заряда аккумуляторной батареи на авто­мобилях.

В обмотке якоря генератора постоянного тока индуктируется ток переменного направления (переменный ток), который затем преобразуется в ток постоянного направления (постоянный ток) коллектором. Коллектор, таким образом, играет ‘роль выпрями­теля. Однако процесс выпрямления тока коллектором связан с искрением под щетками, которое вызывает повышенный износ коллектора и щеток, особенно при большой частоте вращения якоря.

С увеличением мощности и количества потребителей электри­ческой энергии на автомобиле размеры и масса генераторов по­стоянного тока настолько возросли, что размещать их на двига­телях стало трудно, а повышение частоты вращения коленчатого вала двигателя и передаточного числа привода генератора уве­личило износ коллектора и щеток. В связи с этим вместо генера­торов постоянного тока стали применять автомобильные генера­торы переменного тока, в которых преобразование переменного тока в постоянный осуществляется полупроводниковыми выпря­мителями. Комплектно с генераторами переменного тока спроек­тированы и внедрены в производство новые системы регулирования напряжения вместо прежних вибрационных элект­ромагнитных регуляторов напряжения. К ним относятся контакт­но-транзисторные и бесконтактные транзисторные регуляторы на­пряжения.

В последние годы разработаны и освоены в производстве бес­контактные транзисторные регуляторы напряжения на интеграль­ных схемах, очень малые габариты которых позволяют встроить их в генератор.

Комплект генератора постоянного тока с реле-регулятором или регулятором напряжения, а также комплект генератора пе­ременного тока с выпрямителем и регулятором напряжения бу­дем называть генераторной установкой.

Генераторные установки переменного тока обладают рядом преимуществ по сравнению с генераторными установками посто­янного тока.

В генераторе переменного тока отсутствуют коллектор и щет­ки, снимающие с коллекторных пластин весь ток нагрузки. Вме­сто них имеются контактные кольца и щетки, служащие для подвода во вращающуюся обмотку лишь небольшого по величине тока возбуждения генератора. Поэтому износ контактных колец и щеток невелик. В транзисторных регуляторах напряжения вооб­ще нет вибрационных контактов, а в контактно-транзисторных регуляторах напряжения вибрационные контакты значительно разгружены и разрывают лишь небольшой ток.

Все это увеличивает срок службы генераторной установки пе­ременного тока почти вдвое по сравнению с генераторной уста­новкой постоянного тока, а повышение срока службы генератор­ной установки снижает стоимость эксплуатационных затрат.

Сосредоточенная цилиндрическая обмотка возбуждения и клювообразные полюса ротора автомобильного генератора пере­менного тока, а также отсутствие коллектора дают возможность при равных габаритных размерах получить большую мощность и сократить расход меди в 3 раза по сравнению с генераторами постоянного тока. Более низкая частота вращения начала отдачи генератора переменного тока обеспечивает лучший заряд акку­муляторной батареи в условиях эксплуатации автомобиля в го­родских условиях.

Первые автомобильные генераторы переменного тока были спроектированы для работы с отдельными селеновыми выпрями­телями и вибрационными регуляторами напряжения. Селеновые выпрямители громоздки и их приходилось размещать отдельно от генератора в местах, обеспечивающих их хорошее охлаждение, из-за чего требовалась дополнительная проводка от генератора к выпрямителю. Кроме того, они недостаточно теплостойки и допускают максимальную рабочую температуру не выше +80°С. Поэтому селеновые выпрямители в дальнейшем были заменены кремниевыми выпрямителями, более теплостойкими и малогаба­ритными, допускающими их размещение внутри генератора. Виб­рационные регуляторы напряжения также заменяются контактно-транзисторными и бесконтактными регуляторами напряжения.

В настоящее время закончен перевод всех типов отечествен­ных автомобилей на комплектацию генераторными установками переменного тока. Мощность генераторных установок для массо­вых автомобилей увеличилась более чем в 2 раза — с 250 Вт до 500—1000 Вт; ресурс увеличен со 100—150 до 150—300 тыс. км. Начат выпуск генераторов для автобусов ПАЗ и КАвЗ с встроен­ным выпрямительным блоком и встроенным интегральным регу­лятором напряжения. В дальнейшем все типы автомобильных ге­нераторов будут иметь встроенные выпрямители и регуляторы на­пряжения. Развитие применения этих новых конструкций требует изучения принципов работы, характеристик, правил эксплуатации и ремонта автомобильных генераторов переменного тока.

1. Устройство генераторной установки

Генераторная установка переменного тока состоит из трех­фазного синхронного генератора с электромагнитным возбужде­нием, выпрямителя и регулятора напряжения вибрационного, контактно-транзисторного или бесконтактного типа.

В зависимости от способа контроля заряда аккумуляторной батареи существуют две схемы соединения генераторной установ­ки: схема с амперметром (рис. 1) и схема с контрольной лампой (рис. 2). Во избежание разряда аккумуляторной батареи на об­мотку возбуждения генератора регулятор напряжения включают в общую цепь через выключатель зажигания.

Особенностью автомобильного трехфазного синхронного гене­ратора (рис. 3) является применение клювообразных полюсов и обмотки возбуждения, состоящей из одной катушки.

В отличие от синхронных явнополюсных генераторов общепро­мышленного назначения в автомобильных генераторах с клюво-образными полюсами магнитные потоки отдельных полюсов (по­казаны на рис. 3 пунктиром) замыкаются через сердечник ротора и образуют полный магнитный поток генератора, равный сумме магнитных потоков всех полюсов одинаковой полярности. Это дает возможность применить одну сосредоточенную обмотку воз­буждения простой формы и расходовать на ее изготовление ми­нимальное количество проводникового материала — меди. Концы обмотки возбуждения выводят к контактным кольцам, располо­женным на валу ротора.

В отечественных генераторах число полюсов ротора равно 12. Ротор генератора (рис. 3) состоит из вала с закрепленными на нем втулкой с катушкой возбуждения и полюсными наконечни­ками (клювами). Роторы всех генераторов проходят динамиче­скую балансировку. Для балансировки в полюсах надсверливают на небольшую глубину отверстия диаметром 4—8 мм в зависи­мости от размеров генератора. У некоторых типов генераторов, например Г502, полюсные наконечники отжигают для улучшения их магнитных свойств.

Пакет статора набирают из листов электротехнической стали. В пазах статора размещают трехфазную обмотку. Число пазов может быть различным при одном и том же числе полюсов ро­тора и определяется типом трехфазной обмотки и электрическими характеристиками генератора.

При открытом пазе (рис. 4, а) витки обмотки удерживаются текстолитовым клином. При полузакрытом пазе (рис. 4, б) про­вода обмотки при многовитковых катушках закрепляют хлорви

ниловыми трубками, деревянны­ми или бумажными клиньями. Если катушка обмотки статора имеет один виток, то размеры паза подбирают таким образом, что какого-либо закрепления проводов в пазу не требуется (рис. 4, в).

Рис. 1. Схема соединений генера­торной установки переменного тока с амперметром дя контроля заря­да аккумуляторной батареи:

Пазы всех типов изолируются электрокартоном, пленкокартоном или специальным компаун­дом. Для обмоток статора и воз­буждения используют провода с изоляцией различными лаками марок ПЭВ1, ПЭВ2, ПЭТВ, ПЭТВТ, ПЭС и др. Обмотки грех фаз статора при мощности генератора до 500—700 Вт сое­диняются в звезду, при большей мощности — в треугольник или в двойную звезду. Это вызвано тем, что при возрастании мощ­ности генератора увеличивается диаметр провода обмотки стато­ра и намотка становится затруд­нительной — толстый провод трудно гнется. Соединение в тре­угольник или в двойную звезду позволяет уменьшить силу тока в проводе обмотки и, следова­тельно, использовать более тон­кий провод.

Схему обмотки статора по ти­пу одинарной звезды можно ис­пользовать для генераторов с числом пазов на полюс и фазу 0,5; 1 и 2. Каждая фаза содер­жит шесть непрерывно намотан­ных катушек (рис. 5 и 6), содер­жащих, каждая несколько вит­ков.

Рис. 2. Схема соединений генера­торной установки переменного тока с контрольной лампой заряда ак­кумуляторной батареи:

1 — генератор; 1 — выпрямительное устройство; 3 — регулирующее устройство;

Поскольку схема соедине­ния катушек между собой не зависит от числа витков в катуш­ке, то все катушки изображены одновитковыми. Начала и концы всех трех фаз обмотки статора обозначены соответственно бук­вами Н и К. Для соединения в звезду концы всех фаз K1, К2 и К3. соединяются между собой и образуют нулевую точку обмотки. Начала трех фаз Н1, Н2 и Н3 соединяются с выводами. Соединение треугольником применяется редко из-за сложности монтажа катушек: конец первой фазы К1 соединяется с началом второй фазы Н2, конец второй К2 — с началом третьей Н3; конец третьей К3 с началом первой фазы К1 и от всех этих точек соеди­нения подводятся провода к выводным зажимам.

При соединении в двойную «звезду» каждая фаза состоит из двух параллельных ветвей, в каждой ветви по три непрерывно намотанных катушки (рис. 7).

С целью уменьшения размеров лобовых частей катушек и, сле­довательно, уменьшения габаритов генератора иногда использу­ют обмотку, в которой каждую катушку делят на две части (на­мотка «в развал») и укладывают, как показано на рис. 8.

Вместо того чтобы, например, полное число витков первой катушки первой фазы наматывать в пазы 1—4, а второй — в пазы 7—10, наматывают в пазы 1—4 только половину витков первой катушки. Затем в пазы 4—7 наматывают вторую половину вит­ков первой катушки в обратном направлении и т.д. (рис. 8). При таком способе намотки торцевые части катушек 1—4 и 4—7 бу­дут иметь только половинное число витков и будут, следователь­но, иметь меньший размер («вылет») в осевом направлении. Та­ким же образом наматывают катушки остальных фаз.

На рис. 8 более детально показана намотка катушек только первой фазы.

Рис. 4. Форма пазов статора:

а — открытая; б — полузакрытая; в — полузакрытая при одновитковых катушках

Рис. 5. Схема обмотки статора при соединении фаз в звезду и числе пазов 18:

Н1, Н2 Н3 — начала фаз;

К1 K2, K2 — концы фаз

Рис. 6. Схема обмотки статора при соединении фаз в звезду и числе пазов 36:

Н1, H2 Н3 — начала фаз;

K1 К2. К3 — концы фаз

Чтобы не усложнять чертежа, половины катушек остальных двух фаз условно показаны слитными боковыми сторонами, хотя все они наматываются таким же образом, как описано выше для первой фазы. Фазы обмотки, изображенной на рис. 8, соединены в двойную звезду.

Рис. 8. Схема соединений обмоток статора в двойную звезду с намоткой «в развал» (число пазов 36):

Н1, Н2, Н3; К1 К2, К3 — начало и концы фаз первой звезды;

Н4 Н5, Н6. К4, К5, К6 — начало и концы фаз второй звезды;

У некоторых генераторов размещают в статоре две самостоя­тельные трехфазные обмотки, соединенные в звезду и имеющие различное число витков или различное сечение провода. В каче­стве примера на рис. 9 показана схема соединений такого гене­ратора. Обмотка статора 2 имеет большее число витков провода меньшего сечения, чем обмотка 3, которая, наоборот, имеет мень­ше витков более толстого провода. Обе обмотки присоединены каждая к своему комплекту вентилей выпрямительного устрой­ства 4, все вентили которого имеют общие выводы «+» и «—». В остальном схема соединения генератора с регулятором напря­жения РН и батареей 5 — обычного типа.

Такая конструкция позволяет обеспечить достаточно большую мощность генератора на большой скорости движения автомобиля и в то же время сохранить малую частоту вращения начала от­дачи, необходимую при городской езде.

При работе автомобиля в городе, при малой частоте враще­ния коленчатого вала двигателя в генераторе работает обмотка 2 с большим числом витков и питает через выпрямитель 4 аккуму­ляторную батарею 5. При движении автомобиля с большой ско­ростью на загородных дорогах вступает в работу обмотка 3 и те­перь к потребителям поступает ток от двух обмоток, различный по величине: от обмотки 2 (примерно 1/3) и от обмотки 3 (пример­но 2 /3 общей величины). На рис. 9 справа показаны характери­стики тока, отдаваемого отдельно обмотками 2 и 3, а также при совместном действии обеих обмоток в зависимости от частоты вращения генератора.

Рис. 9. Схема соединений генераторной установки с двумя автономными об­мотками фаз статора (а) и характеристики генератора (б):

1 — обмотка возбуждения генератора; 2 — первая трехфазная обмотка статора; 3 — вто­рая трехфазная обмотка статора; 4 — выпрямительное устройсгво; 5 — аккумуляторная батарея; 6 — токоскоростная характеристика обмотки 2: 7 — токоскоростная характеристи­ка обмотки 3; 8 — токоскоростная характеристика обеих обмоток генератора; 9 — выключатель зажигания; 10 — выключатель

Крышки 7 и 10 генератора (см. рис. 3) отливают из алюми­ниевого сплава методом литья в кокиль или под давлением. По­садочные места под шариковые подшипники и отверстия в крон­штейнах крышек, как правило, армируют чугунными или сталь­ными втулками. Некоторые типы генераторов этой армировки не имеют.

Пластмассовый щеткодержатель 4 (рис. 3) с щетками распо­ложен на крышке со стороны контактных колец. В случае приме­нения интегрального регулятора напряжения, встроенного в ге­нератор, его располагают на щеткодержателе. Крышки имеют от­верстия (не показанные на рис. 3) для проточной вентиляции в осевом направлении. Вентилятор 9 имеет два конструктивных исполнения. У некоторых типов генераторов вентилятор состоит из крыльчатки и поддона, соединенных между собой точечной сваркой, у некоторых из одной крыльчатки. Шкив 8 чугунный литой или стальной штампованный. Вентилятор и шкив соеди­няются с валом при помощи шпонки.

В большинстве типов автомобильных генераторов переменного тока, в том числе во всех отечественных конструкциях, выпрями­тельное устройство рассчитано на двухполупериодное выпрямле­ние трехфазного тока, и имеет, следовательно, шесть вентилей.

Выпрямительные устройства имеют два исполнения: в виде единого конструктивного узла с вентилями, размещенными не­посредственно в теплоотводящих элементах пластмассового осно­вания, или в виде отдельных вентилей, запрессованных в теплоотводящие пластины. Для обеспечения интенсивного охлаждения выпрямительные устройства монтируют в крышке со стороны контактных колец.

Генератор с встроенным кремниевым выпрямителем имеет два изолированных от корпуса выводных зажима: зажим для подключения генератора к аккумуляторной батарее и на­грузке и зажим Ш для соединения обмотки возбуждения генера­тора с регулирующим устройством. Третьим (минусовым) зажи­мом является винт М (масса), служащий для соединения корпу­са генератора с шасси (массой) автомобиля.

Источник

Устройство генератора переменного тока

Представить себе жизнь современного человека без электричества крайне сложно. Даже те люди, которые отдалены от цифровых технологий и Интернета, все равно пользуются бытовыми приборами, которые работают на электрической энергии. Часто для ее производства используют генератор переменного тока, ведь именно ток такого поля используется всеми бытовыми установками, подается во все квартиры и частные дома. Упомянутый выше прибор был изобретен уже достаточно давно, но он до сих пор не утратил своей популярности и применяется во многих сферах жизни людей. Про устройство генератора и принцип его работы рассказано в данной статье.

Что такое генератор переменного тока, и кто его изобрел

Генератор переменного тока представляет собой специализированную электрическую установку, которая преобразует механическую энергию в электрическую. Последняя обладает переменной характеристикой. Само превращение основано на механическом вращении катушки из проволоки внутри магнитного поля.

Демонстрация рассматриваемого прибора в разрезе

К сведению! Практически все современные генераторы используют для получения электроэнергии вращающееся магнитное поле, а не катушку.

Как уже было сказано, электрический ток вырабатывается не только при механическом движении катушки в поле магнита, но и тогда, когда силовые линии магнита, находящегося во вращательном движении, пересекают витки катушки. Таким образом появляющиеся электроны начинают свое движение к положительному полюсу магнита, а сам электроток протекает от плюсового полюса к минусовому.

Ток индуцируется в проводнике (катушке). Его течение отталкивает магнит, когда рамка катушки подходит к нему, и отталкивает его, когда рамка удаляется. Его говорить проще, то ток каждый раз меняет свою ориентацию относительно полюсов магнита. Это и вызывает такое явление, как переменный электрический ток.

Демонстрация прибора с помощью простого магнита и контура

Данное приспособление появилось еще в 1832 г. благодаря стараниям Н. Тесла. Именно тогда был создал самый первый однофазный синхронный генератор переменного электрического тока. Самые первые установки производили только постоянный ток, а рассматриваемый генератор переменной характеристики некоторое время не мог найти своего практического применения. Это длилось не долго, так как люди быстро поняли, что переменный ток использовать гораздо практичнее, чем постоянный.

Обратите внимание! Преимущество новой технологии заключалось в том, что такой электроток было легче выработать, а на обслуживание приборов уходило в разы меньше времени и ресурсов, чем на аналоги, работающие на постоянном токе.

Именно благодаря переменному току и его генератору смогли появиться на свет такие электроприборы, как радиоприемник, магнитофон и другие более поздние автоматические и электротехнические установки, без которых представить жизнь современного человека нельзя.

Использование графика для демонстрации переменного и постоянного электротоков

Характеристики генератора переменного тока

Основные технические характеристики генератора переменного тока: внешняя, скоростная регулировочная и токоскоростная. Внешняя характеристика определяется, как зависимость напряженности прибора от генерируемого им тока. Она является константой и может быть определена в процессе самостоятельного и независимого возбуждения.

Скоростная регулировочная характеристика чаще всего высчитывается исходя из нескольких величин электротока нагрузки. Самое маленькое значение возбуждения находится при нагрузочном токе, равном нулю (частота вращений при этом максимальная).

Последняя токоскоростная характеристика определяется как одна из самых важных при выборе или создании генератора. Практически все новые генераторы могут самостоятельно ограничивать свой максимальный ток.

Обратите внимание! Делается это для того, чтобы частота вращения роторов не увеличивалось до частоты индуцированного стартера.

Принцип работы генератора

Пришло время рассмотреть устройство генератора перемененного тока и принцип его действия. Он заключается в том, что в электроустановке используют специальную систему, которая при функционировании производит магнитный поток большой мощности.

За основу взято два сердечника, изготовленных из электротехнической стали. Пазы одного сердечника предполагают размещение обмотки, которая отвечает за генерацию потока магнитных волн. Второй же используется для индукции электродвижущей силы.

Обычно сердечник, который расположен внутри, находится в горизонтальном или вертикальном положении и вращается по соответствующим орбитам. Его называют ротором. Второй же сердечник, называемый статором, как понятно из его названия, остается в неподвижном состоянии. Чем меньшее расстояние будет между этими элементами, тем больше вырастет индуктивность магнитного потока. Далее рассмотрены назначение устройства и работа генератора переменного тока.

Рассмотрение строения электрогенератора на практике

Назначение генератора переменного тока

Переменные генераторы тока применяют уже достаточно давно. За последние годы сфера применения стала еще более обширной. Используются такие приборы не только в промышленных, но и в бытовых целях. Производственные электроустановки представляют собой самый выгодный вариант для генерации электроэнергии, используемой на заводах и предприятиях, учебных учреждениях, торговых центрах и т. д. Также такие генераторы позволяют значительно ускорить строительство того или иного сооружения в тех местах, где нет возможности провести линию электропередачи.

В быту такие устройства также применяются. Они обладают более компактными размерными характеристиками и универсальностью. Часто их используют для питания частных домов, дачных участков или коттеджей.

Обратите внимание! Бытовые и производственные генераторы перемененного тока пользуются популярностью практически во всех сфера жизни человека. Особенно они полезны там, где постоянно возникают перебои с подачей электроэнергии или ее нет вообще.

Как устроен генератор переменного тока

Устройство генератора крайне простое. Он состоит из двух основных частей: подвижной (ротор или индуктор) и неподвижной (статор или якорь). В ГПТ ротором выступает электрический магнит, создающий магнитное поле, которое и принимает статор. Поверхность якоря обладает впадинами, которые называются пазами. В них виднеется обмотка катушки, выступающей в роли проводника.

Обратите внимание! Обычно якорь изготавливают их спрессованных листов стали толщиной не более 0,3 мм. Их изоляционный слой представляет собой простое лаковое покрытие.

Ротор устанавливают внутри статора. Его вращение осуществляется с помощью двигателя, мощность которого передается через обычный вал и некоторые опорные элементы. На валу также имеется возбудитель с постоянным значением электротока, питающий им обмотки катушки. Также среди компонентов имеется аккумуляторная батарея, которая инициализирует запуск стартера и может подавать электричество, если его не хватает для запуска двигателя, его работы.

Важно! Основное различие между однофазным и трехфазным генераторами электрического тока заключается в том, какое максимальное напряжение выдается прибором. В первом случае это 220 В, а во втором — и 220, и 380 В.

Виды генераторов переменного тока

Есть несколько типов классификации генераторов. Наиболее распространенный — по мощности. Они бывают маломощными и высокомощными. Для решения бытовых задач применяются компактная и маломощная электроустановки, которые обычно используется в качестве резервного источника питания.

В последнее время популярность обрели сварочные генераторы. С бензиновыми моделями следует быть осторожным, так как они должны использоваться только по своему прямому назначению. В противном случае их срок эксплуатации истечет намного раньше положенного. Диагностика и ремонт таких приборов — достаточно дорогостоящие, и чаще проще купить новый аппарат.

Еще одно разделение — асинхронные и синхронные генераторы. Они отличаются конструкцией ротора. В синхронном приборе катушка находится на роторе, а в асинхронном на валу есть специальные углубления, которые предназначены для вставки обмотки. Подробнее о них далее.

Маломощный генератор

Асинхронные генераторы

Асинхронные двигатели — это приборы, которые работают в тормозящем режиме. В данной ситуации ротор выполняет вращения только в одном направлении, совпадающем с движением магнитного поля, но немного опережает его.

Обратите внимание! Такие установки практически не подвержены коротким замыканиям и обладают повышенной защитой от воздействия внешних факторов.

Синхронные генераторы

Синхронный двигатель — это электромеханизм, который работает в режиме генерации электрической энергии. Его особенность в том, что частота вращения стартера, а точнее его магнитного поля, равна частоте вращения ротора.

К сведению! Синхронные обладают роторами, которые выполнены в виде постоянных или электрических магнитах. Полюсов у них может быть и 2, и 4, и 6. Главное, чтобы это число было кратным двум.

Какой ток вырабатывает генератор

Характеристика тока, который вырабатывается генератором, зависит от его конструкции. Как уже стало понятно, и переменный генератор, и постоянный генератор содержат в своей конструкции электрический или постоянный магнит, создающий поток магнитного поля. В обоих случаях можно найти обмотку из медного проводника. Она вращается и, занимая различные положения в поле магнита, создает наведенную ЭДС.

Если представить, что обмотка разделена на две одинаковые части, то они поочередно будут занимать то горизонтальное, то вертикальное положение. ЭДС будет сначала максимальной, а затем нулевой. Это и будет генерация переменного тока.

Обратите внимание! Если в процессе полуоборота каким-либо образом переключить потребитель энергии, то он будет получать уже постоянный, но пульсирующий ток. В этом и отличие.

Схема генератора переменного тока

Принципы работы генератора переменного и постоянного токов уже понятны, как и его основные конструкционные элементы. Необходимо рассмотреть пару схем для обобщения материала и понимания процесса генерации электротока.

Схема обычного устройства генерации электротока

Таким образом, были рассмотрены генератор переменного тока, устройство и принцип его действия.

Принципиальная схема электрического генерирующего устройства

Строение этого аппарата практически не поменялось с момента его создания еще в 1800-х гг. Данное электрооборудование служит для выработки тока, который применяется для бытовых или производственных целей.

Источник