Генератор змінного струму: пристрій, принцип роботи, призначення

Електричний струм є основним видом енергії, яка вчиняє корисну роботу у всіх сферах людського життя. Він приводить в рух різні механізми, дає світло, обігріває будинки і оживляє ціле безліч пристроїв, які забезпечують наше комфортне існування на планеті. Воістину, цей вид енергії універсальний. З неї можна отримати все що завгодно, і навіть великі руйнування при невмілому використанні.

Але був час, коли електричні ефекти все так же були присутні в природі, але ніяк не допомагали людині. Що ж змінилося з тих пір? Люди стали вивчати фізичні явища і придумали цікаві машини - перетворювачі, які, загалом, і зробили революційний стрибок нашої цивілізації, дозволивши людині отримувати одну енергію з іншої.

Так люди навчилися виробляти електрику зі звичайного металу, магнітів і механічного руху - тільки й усього. Були побудовані генератори, здатні видавати колосальні за потужністю потоки енергії, які обчислюються мегаватами. Але цікаво, що принцип дії цих машин не так уже й складний і цілком може бути зрозумілий навіть підлітку. Що ж таке генератор електричного струму? Спробуємо розібратися в цьому питанні.

Ефект електромагнітної індукції

Основою появи в провіднику електричного струму є електрорушійна сила - ЕРС. Вона здатна змусити переміщатися заряджені частинки, яких багато в будь-якому металі. Ця сила з`являється тільки в разі, якщо провідник відчуває на собі зміну інтенсивності магнітного поля. Сам ефект отримав назву електромагнітної індукції. ЕРС тим більше, чим більше швидкість зміни потоку магнітних хвиль. Тобто, можна біля постійного магніту переміщати провідник, або на нерухомий провід впливати полем електромагніту, змінюючи його силу, ефект буде один і той же - в провіднику з`явиться електричний струм.

Над цим питанням в першій половині XIX століття працювали вчені Ерстед і Фарадей. Вони ж і відкрили це фізичне явище. Надалі на основі електромагнітної індукції були створені генератори струму і електродвигуни. Цікаво, що ці машини легко можуть бути перетворені одна в одну.

Як працюють генератори постійного та змінного струму

Зрозуміло, що генератор електричного струму - це електромеханічна машина, що виробляє струм. Але насправді вона є перетворювач енергії: вітру, води, тепла, чого завгодно в ЕРС, яка вже викликає струм в провіднику. Пристрій будь-якого генератора принципово нічим не відрізняється від замкнутого проводить контуру, який обертається між полюсами магніту, як в перших дослідах вчених. Тільки набагато більше величина магнітного потоку, створюваного потужними постійними або частіше електричними магнітами. Замкнутий контур має вигляд многовитковой обмотки, яких в сучасному генераторі не одна, а мінімум три. Все це зроблено для того, щоб отримати якомога більшу ЕРС.

Стандартний електричний генератор змінного струму (або постійного) складається з:

• Корпуси. Виконує функцію рами, всередині якої кріплять статор з полюсами електромагніту. У ньому встановлені підшипники кочення роторного вала. Його виготовляють з металу, він також захищає всю внутрішню начинку машини.
• Статора з магнітними полюсами. На ньому закріплена обмотка збудження магнітного потоку. Його виконують з феромагнітної сталі.
• Ротора або якоря. Це рухома частина генератора, вал якої призводить в обертальний рух стороння сила. На осерді якоря розташовують обмотку самозбудження, де і утворюється електричний струм.
• Вузла комутації. Цей елемент конструкції служить для відведення електрики з рухомого вала ротора. Він включає в себе провідні кільця, які рухомо з`єднані з графітовими струмознімальних контактами.

Створення постійного струму

У генераторі, продуцирующем постійний струм, проводить контур обертається в просторі магнітної насиченості. Причому за певний момент обертання кожна половина контуру виявляється поблизу того чи іншого полюсніка. Заряд в провіднику за цей напівоберт рухається в одному напрямку.

Щоб отримати з`їм частинок, зроблений механізм відведення енергії. Його особливість в тому, що кожна половина обмотки (рамки) з`єднана з струмопровідних півкільцем. Півкільця між собою не замкнуті, а закріплені на діелектричному матеріалі. За період, коли одна частина обмотки починає проходити певний полюс, півкільце замикається в електричну схему щітковими контактними групами. Виходить, на кожну клему приходить тільки одного виду потенціал.

Правильніше назвати енергію не постійною, а пульсуючою, з незмінною полярністю. Пульсація викликана тим, що магнітний потік на провідник при обертанні надає як максимальне, так і мінімальний вплив. Щоб цю пульсацію вирівняти, застосовують кілька обмоток на роторі і потужні конденсатори на вході схеми. Для зменшення втрат магнітного потоку зазор між якорем і статором роблять мінімальним.

Схема генератора змінного струму

Коли відбувається обертання рухомої частини генеруючого струм пристрою, в провідниках рамки також наводиться ЕРС, як і в генераторі постійного струму. Але невелика особливість - генератор змінного струму пристрій колекторного вузла має інше. У ньому кожен висновок з`єднаний зі своїм струмопровідних кільцем.

Принцип роботи генератора змінного струму наступний: коли половина обмотки проходить біля одного полюса (інша, відповідно, біля протилежної полюса), в ланцюзі рухається ток в одному напрямку від мінімуму до найвищого своїм значенням і знову до нуля. Як тільки обмотки змінюють своє положення щодо полюсів, ток починає свій рух у зворотному напрямку з тією ж закономірністю.

При цьому на вході схеми виходить форма сигналу у вигляді синусоїди з частотою полуволн, що відповідає періоду обертання валу ротора. Для того, щоб отримати на виході стабільний сигнал, де частота генератора змінного струму постійна, період обертання механічної частини повинен бути незмінним.

Магнітні генератори газового типу

Конструкції генераторів струму, де замість металевої рамки як носій зарядів використовують струмопровідну плазму, рідина або газ, отримали назву МГД-генераторів. Речовини під тиском проганяють в поле магнітної напруженості. Під впливом все тієї ж ЕРС індукції заряджені частинки набувають спрямований рух, створюючи електричний струм. Величина струму прямо пропорційна швидкості проходження через магнітний потік, а також його потужності.

Генератори МГД мають більш просте конструктивне рішення - в них відсутній механізм обертання ротора. Такі джерела живлення здатні видавати великі потужності енергії в короткі проміжки часу. Їх застосовують в якості резервних пристроїв і в умовах екстрених аварійних ситуацій. Коефіцієнт, що визначає корисну дію (ККД) цих машин вище, ніж має електричний генератор змінного струму.

Генератор синхронний змінного струму

Існують такі типи генераторів змінного струму:

• Машини синхронні.
• Машини асинхронні.

Синхронний генератор змінного струму має строгу фізичну залежність між обертальним рухом ротора і генерується частотою електрики. У таких системах ротор - це електромагніт, зібраний з сердечників, полюсів і збудливих обмоток. Останні живляться від джерела постійного струму за допомогою щіток і кільцевих контактів. Статор ж являє собою котушки дроти, з`єднані між собою за принципом зірки із загальною точкою - нулем. У них вже наводиться ЕРС і виробляється струм.

Вал ротора наводиться в рух сторонньої силою, зазвичай турбінами, частота руху яких синхронізована і постійна. Електричний ланцюг, підключається до такого генератору, являє собою трифазну схему, частота струму в окремій лінії якої зміщена на фазу в 120 градусів щодо інших ліній. Щоб отримати правильну синусоїду, напрямок магнітного потоку в просвіті між обмотки і роторної частиною регулюють конструкцією останніх.

Порушення генератора змінного струму реалізують двома методами:

1. Контактним.
2. Безконтактним.

У схемі контактного збудження на обмотки електромагніту через щеточную пару подають електроенергію з іншого генератора. Цей генератор може бути поєднаний з валом основного. Він, як правило, має меншу потужність, але достатню, щоб створити сильне магнітне поле.

Безконтактний принцип передбачає, що синхронний генератор змінного струму на валу має додаткові трифазні обмотки, в яких при обертанні наводиться ЕРС і виробляється електрика. Воно через випрямляє схему надходить на котушки збудження ротора. Конструктивно в такій системі відсутні рухливі контакти, що спрощує систему, роблячи її більш надійною.

Відео: Генератор змінного струму

асинхронний генератор

Існує асинхронний генератор змінного струму. Пристрій його відрізняється від синхронного. У ньому немає точної залежності ЕРС від частоти з якою вал ротора обертається. Присутній таке поняття як «ковзання S», яке характеризує цю різницю впливу. Величина ковзання визначається обчисленням, так що неправильно думати, ніби-то немає закономірності електромеханічного процесу в асинхронному двигуні.

Якщо генератор, що працює вхолосту, навантажити, то протікає в обмотках струм буде створювати магнітний потік, що перешкоджає обертанню ротора із заданою частотою. Так утворюється ковзання, що, природно, впливає на вироблення ЕРС.

Сучасний асинхронний генератор змінного струму пристрій рухомої частини має в трьох різних виконаннях:

1. Порожній ротор.
2. Короткозамкнений ротор.
3. Фазний ротор.

Такі машини можуть мати само- і незалежне збудження. Перша схема реалізується за рахунок включення в обмотку конденсаторів і напівпровідникових перетворювачів. Порушення незалежного типу створюється додатковим джерелом змінного струму.

Схеми включення генераторів

Всі потужні джерела живлення ліній електропередач виробляють трифазний електричний струм. Вони містять у собі три обмотки, в яких утворюються змінні струми зі зміщеною один від одного фазою на 1/3 періоду. Якщо розглядати кожну окрему обмотку такого джерела живлення, то отримаємо однофазний змінний струм, що йде в лінію. Напруга в десятки тисяч вольт може виробляти генератор. 220 В споживач отримує з розподільчого трансформатора.

Будь-генератор змінного струму пристрій обмоток має стандартне, але підключення до навантаження буває двох типів:

• зіркою;
• трикутником.

Відео: Генератори змінного струму

Принцип роботи генератора змінного струму, включеного зіркою, передбачає об`єднання всіх проводів (нульових) в один, які йдуть від навантаження назад до генератора. Це обумовлено тим, що сигнал (електричний струм) передається в основному через що виходить провід обмотки (лінійний), який і називають фазою. На практиці це дуже зручно, адже не потрібно тягнути три додаткових дроти для підключення споживача. Напруга між лінійними проводами і лінійним і нульовим проводом відрізнятимуться.

Поєднуючи трикутником обмотки генератора, їх замикають один з одним послідовно в один контур. З точок їх сполуки виводять лінії до споживача. Тоді взагалі не потрібен нульовий провід, а напруга на кожній лінії буде однаковим незалежно від навантаження.

Перевагою трифазного струму перед однофазним є його менша пульсація при випрямленні. Це позитивно позначається на питомих приладах, особливо двигунах постійної напруги. Також трифазний струм створює обертовий потік магнітного поля, який здатний приводити в рух потужні асинхронні двигуни.

Де можна застосувати генератори постійного та змінного струму

Генератори постійного струму значно менше за розмірами і масою, ніж машини змінної напруги. Маючи більш складне конструктивне виконання ніж останні, вони все ж знайшли застосування в багатьох галузях промисловості.

Основне поширення вони отримали в якості високообертових приводів в машинах, де потрібне регулювання частоти обертання, наприклад, в металообробних механізмах, підйомниках шахт, прокатних станах. У транспорті такі генератори встановлені на тепловозах, різних судах. Безліч моделей вітрогенераторів зібрані на базі джерел постійної напруги.

Генератори постійного струму спеціального призначення застосовують в зварюванні, для збудження обмоток генераторів синхронного типу, як підсилювачі постійного струму, для живлення гальванічних і електролізних установок.

Призначення генератора змінного струму - виробляти електроенергію в промислових масштабах. Такий вид енергії подарував людству Нікола Тесла. Чому саме змінює полярність струм, а не постійний знайшов широке застосування? Це пов`язано з тим, що при передачі постійної напруги йдуть великі втрати в проводах. І чим довше провід, тим втрати вище. Змінна напруга можна транспортувати на великі відстані при набагато менших витратах. Причому легко можна перетворювати змінну напругу (знижуючи і підвищуючи його), який виробив генератор 220 В.

висновок

Людина до кінця не зрозумів природу магнетизму, який пронизує всі навколо. І електрична енергія - це лише мала частина відкритих таємниць світобудови. Машини, які ми називаємо генераторами енергії, по суті дуже прості, але те, що вони можуть нам дати, просто вражає уяву. Все ж справжнє диво тут не в техніці, а в думці людини, яка змогла проникнути в невичерпний резервуар ідей, розлитих в просторі!