Електрика - єдиний вид енергії, яку легко можна передати на великі відстані, а потім перетворити її в механічну, теплову або перетворити в світлове випромінювання. Саму ж електроенергію також можна отримати різними способами: хімічним, тепловим, механічним, фотоелектричним і ін. Але саме механічний спосіб, який заснований на застосуванні генераторів, виявився найефективнішим. Серед цих джерел електроенергії широке застосування знайшов синхронний генератор змінного струму.
Практично вся електроенергія, яка використовується в побуті і на виробництві, виробляється генераторами цього типу. Вони заслуговують на те, щоб більш детально розглянути їх пристрій і розібратися в принципі роботи цих дивовижних синхронних машин.
Пристрій
У конструкції синхронних генераторів використовуються дві основні робочі деталі - обертовий ротор і нерухомий статор. На валу ротора розташовуються постійні магніти або обмотки збудження. Магніти мають зубчасту форму, з протилежно спрямованими полюсами.
Безщіточні генератори.
Обмотки статора розміщують таким чином, щоб їх сердечники збігалися з виступами магнітних полюсів ротора, або з сердечниками котушок ротора. Кількість зубців магніту, як правило, не перевищує 6. При такій конструкції виробляється струм знімається безпосередньо з обмоток статорів. Іншими словами, статор виступає в ролі якоря.
В принципі, постійні магніти можна розташувати на статорі, а робочі обмотки, в яких буде індукувати ЕРС, - на роторі. Працездатність генератора від цього не зміниться, проте потрібні кільця і щітки для зняття напруги з обмоток якоря, а це, найчастіше, не раціонально.
Схематичне зображення бесщеточного генератора без обмоток збудження зображено на рис. 1.
Мал. 1. Модель генератора з магнітним ротором
пояснення:
- схема пристрою;
- схема розташування магнітних полюсів на якорі. Тут літерами NS позначено коаксіальний магніт з полюсами, а літерою R - сталевий магнітопровід ротора у вигляді кігтеподібні наконечників.
- модель генератора в розрізі. Висновки фазних обмоток статора з'єднані «зіркою».
Синхронні машини з індукторами.
Зауважимо, що постійні магніти в якості ротора використовуються в альтернатори невеликої потужності. У потужних електричних машинах завжди застосовуються обмотки індуктора з незалежним збудженням. Незалежним джерелом живлення є малопотужний генератор постійного струму , Змонтований на валу синхронного двигуна.
Існують конструкції синхронних генераторів малої і середньої потужності, з самозбуджується обмотками. Для збудження індуктора випрямлений струм фазних обмоток подається через щітки на кільця, розташовані на валу статора. Будова такого альтернатора показано на рис. 2.
Мал. 2. Будова синхронного генератора середньої потужності
Зверніть увагу на наявність щіток, на які подається харчування від незалежного джерела.
За кількістю фаз синхронні генератори діляться на:
- однофазні;
- двофазні;
- трифазні.
За конструкцією ротора можна виділити генератори з явновираженнимі полюсами і з неявновираженнимі. У неявнополюсного роторі відсутні виступи, а котушки дроти якоря заховані в пази статора.
За способом з'єднання фазних обмоток розрізняють трифазні генератори:
- з'єднані по шестіпроводних системі Тесла (не знайшли практичного застосування);
- «Зірка»;
- «Трикутник»;
- поєднання шести обмоток, з'єднаних у вигляді однієї «зірки» і «трикутника». Це з'єднання ще називають «Слов'янка».
Найпоширеніше з'єднання - «зірка» з нейтральним проводом.
Принцип роботи
Розглянемо принцип генерації струму на прикладі контурної рамки, вміщеній між магнітними полюсами. (Рис. 3)
Мал. 3. Схема, що пояснює принцип роботи генератора
Якщо змусити рамку обертатися (у напрямку стрілок), то вона буде перетинати магнітні силові лінії. При цьому, згідно із законом електромагнітної індукції, в рамці індукується електричний струм, який проявляється при підключенні навантаження до щіток. Його напрямок можна визначити за правилом гвинта. На схемі напрямок струму показано чорними стрілками.
Зверніть увагу на те, що на ділянках рамки ab і cd ток рухається в протилежних напрямках. Ці напрямки змінюються при переході ділянок рамки від одного полюса до іншого полюсу магніту. Якщо кожен висновок рамки підключити до окремого кільцю (на малюнку вони підключені до колектора!), То на виході ми отримаємо змінний струм.
Величина струму пропорційна швидкості обертання ротора. Крім того, змінний струм характеризується ще одним параметром - частотою. Ця величина безпосередньо залежить від частоти обертання валу.
Частота струму в електромережах строго дотримується. У Росії і в ряді інших країн вона становить 50 Гц, тобто 50 коливань в секунду.
Цей параметр досить легко обчислити з таких міркувань: за один оборот рамки (або двополюсного магніту) відбувається одна зміна напрямку струму. Якщо вал синхронного генератора робить 1 оборот в секунду, то частота змінного струму складе 1 Гц. Для отримання частоти 50 Гц необхідно забезпечити 50 оборотів статора в секунду або 3000 об. / Хв.
При зростанні числа полюсів задана частота утримується шляхом зниження швидкості обертання статора. (Обернено пропорційна залежність). Так, для четерёхполюсного статора (число полюсів в два рази більше) для підтримки частоти 50 Гц швидкість обертання валу необхідно знизити в два рази. Відповідно якщо використовується 6 полюсів, то частота обертання валу повинна зменшитися в три рази - до 1000 об. / Хв.
Зауважимо, що в деяких країнах, таких як США, Японія та ін. Існують інші стандарти - 60 Гц, а змінний 400 Гц використовується, наприклад, в бортовій мережі сучасних літаків.
Досягти необхідних параметрів частоти можна 2 шляхами:
- Сконструювати генератор з певною кількістю полюсів електромагнітів.
- Забезпечити відповідну розрахункову частоту обертання валу.
Наприклад, в тихохідних гідротурбінах, що обертаються зі швидкістю 150 об. / Хв. для регулювання частоти число полюсів синхронних генераторів збільшують до 40. На дизельних електростанціях, при швидкостях обертання 750 об. / хв., оптимальне число полюсів - 8.
У зв'язку зі змінами параметрів активних навантажень виникає необхідність у вирівнюванні номінальних напруг. Незважаючи на те, що ЕРС індукції синхронного генератора пов'язана зі швидкістю обертання ротора, однак, через вимоги по дотриманню стабільної частоти, цим способом можна змінювати вказаний параметр. Але параметри магнітної індукції можна змінити шляхом зниження або збільшення магнітного потоку, який залежить від кількості витків обмотки індуктора і величини струму збудження.
Регулювання здійснюється шляхом включення в ланцюг котушок збудження додаткових реостатів, електронних схем або регулюванням струму генератора-збудника (Рис. 4). У разі використання альтернують з постійними магнітами, в таких пристроях напруга регулюється зовнішніми стабілізаторами.
Мал. 4. Схема регулювання напруги
Завдяки малій вазі і відмінним струмовим характеристикам синхронні генератори змінного струму знайшли застосування у всіх сучасних автомобілях. Оскільки бортова мережа авто використовує постійний струм, конструкції автомобільних генераторів обладнані трифазним випрямлячем. Для випрямляти змінних струмів частота не має значення, а ось напруга повинна бути стабільно. Цього домагаються за допомогою зовнішніх електронних пристроїв. На малюнку 5 представлена електрична схема підключення генератора до бортової мережі сучасного автомобіля.
Мал. 5. Схема підключення генератора до бортової мережі авто
застосування
У синхронних генераторів змінного струму є одна важлива особливість: вони піддаються синхронізації з іншими подібними електричними машинами. При цьому синхронні швидкості і ЕРС паралельно включених альтернують збігаються, а фазовий зсув дорівнює нулю. Дана обставина дозволяє застосовувати пристрої в промисловій енергетиці і підключати резервні генератори при перевищенні номінальних потужностей в години пікових навантажень.
Трифазні тягові генератори застосовують на тепловозах. Змінні струми для живлення двигунів випрямляються напівпровідниковими пристроями. Сьогодні в Росії вже випускаються тепловози на базі асинхронних електродвигунів, що не вимагають випрямлення струму. У режимі гальмування вони працюють в якості асинхронних генераторів .
Синхронні генератори встановлюють на гібридних автомобілях з метою поєднання тяги ДВС і потужності тягових електродвигунів. Розвиваючи активну потужність при номінальних навантаженнях, вони дозволяють економити дороге паливо.
Існує багато інших сфер застосування. Наприклад, мобільні міні-електростанції, побутові генератори струму, як однофазний двигун і т. П.
