Генератор (альтернатор) тока – виды и принцип действия

Практика эксплуатации электрооборудования отмечается использованием двух видов генераторов. Один вид представлен генератором переменного тока, другой — генератором постоянного тока. Между тем, независимо от вида, генератор технически преобразует механическую мощность в электрический потенциал. Соответственно, генератор переменного тока генерирует переменные величины, а генератор постоянного тока предназначен под генерацию постоянных величин. Обе конструкции электрических генераторов производят энергию, используя единый фундаментальный принцип.

Генератор и закон электромагнетизма Фарадея.

Согласно закону электромагнитной индукции Фарадея, в условиях, когда проводник движется внутри магнитного поля, образуется эффект пересечения магнитных силовых линий. По этой причине внутри проводника индуцируется ЭДС (электродвижущая сила).

Величина индуцированной электродвижущей силы проводника напрямую зависит от разницы скорости магнитного потока (магнитной силы), действующего на проводник. Электродвижущая сила приведет к протеканию тока, при условии замкнутой цепи проводника.

Следовательно, основными элементами, обеспечивающими работу генератора, являются проводники магнитного поля, которые передвигаются внутри текущего магнитного поля. Для лучшего понимания принципа действия генератора постоянного тока рассмотрим простейшую конструкцию.

Генератор постоянного тока – принцип работы

Картинка ниже показывает одну петлю проводника прямоугольной формы, которая помещается между двумя противоположно расположенными полюсами магнита.

Функция генератора постоянного тока
Упрощённая схема устройства генерации электричества: N, S – магнитные полюса; N, N1 – ось вращения рамочного проводника; A, B, C, D – контур рамочного проводника

Условно предполагается, что прямоугольная петля проводника (ABCD) вращается внутри магнитного поля вокруг собственной оси N – N1.

Момент, когда вращением петля проводника перемещается от вертикального положения в положение горизонтальное, происходит «разрез» линии потока магнитного поля. Учитывая наличие двух сторон петли проводника (AB и CD), «обрезка» линий магнитного потока формирует ЭДС по обеим сторонам.

По мере прохождения цикла, естественным образом образуется циркуляция энергии. Направление тока, в данном случае, устанавливает правило правой руки Флеминга. Этот закон электродинамики гласит:

Если разложить ладонь правой руки большим, указательным, средним пальцами перпендикулярно относительно каждого из пальцев, направление большого пальца укажет движение проводника, указательного пальца — магнитного поля, среднего пальца — направление тока, текущего через проводник.

Правило правой руки Флеминга
Наглядный пример применения правила Флеминга для правой руки, определяющего направление движения силовых полей. 1 – направление движения проводника, 2 – движение магнитного потока; 3 – движение энергии внутри проводника; 4, 5 – магнитные полюса

Теперь, когда учитывается применение правила Флеминга для правой руки, горизонтальное положение петли отметится протеканием энергии от зоны A к зоне B, тогда как на другой стороне контура энергетический потенциал фиксируется на участке от зоны C к зоне D.

При условии дальнейшего продолжения цикла (движения петли проводника), логичным видится возврат контура из горизонтального в вертикальное положение. Однако наверху теперь окажется сторона контура CD, тогда как сторона AB будет находиться внизу.

Тангенциальное движение сторон ротора

При таком положении контура, тангенциальное движение сторон петли отмечается параллельно линиям потока магнитного поля. Следовательно, «разрез» линий магнитного поля фиксироваться не будет. Такое состояние контура логически исключает появление тока в проводнике.

Продолжением цикла контур вновь переходит в горизонтальное положение. Однако теперь сторона AB петли контура окажется в зоне N полюса, а сторона CD в области полюса S. Выстраивается положение прямо противоположное предыдущему горизонтальному положению, как показано на картинке ниже.

Движение рамки генератора
Схематичный упрощённый пример, наглядно показывающий направление силовых потоков при горизонтальном расположении рамочного проводника. 1 – направление магнитного потока; 2 – движение энергии в зоне A – B; 3 – движение энергии в зоне C — D

Здесь тангенциальное движение сторон петли перпендикулярно линиям потока, поэтому скорость «обрезки» магнитного потока максимальна.

Тогда, исходя из правила правой руки Флеминга, указанное положение формирует ток, который течёт от зоны B к зоне A одной стороны контура и от зоны D к зоне C другой стороны контура.

Теперь, если цикл вращения рамки вокруг собственной оси продолжается, каждый раз, когда сторона АВ попадает в область полюса S, энергия течёт от зоны A к зоне B. Когда же эта сторона контура приходит в область полюса N, ток течёт от зоны B к зоне A. Аналогично процесс выглядит для противоположной стороны рамки.

Если обобщить это явление с учётом разных путей, напрашивается логичный вывод. Когда любая сторона петли попадает в область N полюса, энергия течёт через эту часть контура в одном направлении и продолжает своё движение в области S полюса, но уже в другом направлении.

В результате полного вращения, рамка контура по всему периметру находится под током, который можно снять для питания нагрузки.

Съём тока с генератора для питания нагрузки

Картинка ниже демонстрирует, как на первой половине оборота контура ток течёт через проводник (AB), снимается на щётку (1) и подаётся к нагрузке (LM) от которой следует далее к щётке (2) генератора.

Следующая половина оборота контура меняет направление индуцированного тока на противоположное. В то же время положение сегментов a и b также меняется на противоположное.

Эта смена способствует вхождению щётки (2) в контакт с сегментом b. Следовательно, ток от сопротивления нагрузки течёт через щётку (2) и далее к проводнику CD. Волна от тока через цепь нагрузки показана на рисунке. Этот ток является однонаправленным.

Это базовый принцип работы генератора постоянного тока на основе модели с одним контуром. Положение щеток генератора постоянного тока фиксируется следующим образом:

Смена сегментов a и b и переход от одной щетки к другой происходит, когда плоскость вращающегося контура находится под прямым углом к плоскости магнитных линий. Если контур располагается в этом положении, индуцированная электродвижущая сила равна нулю.

Генераторы (альтернаторы) переменного тока

Конструкция генератора (альтернатора) переменного тока содержит магнитные полюсы, размещенные на вращающейся части машины, именуемой ротором, как показано на картинке ниже. Ротор вращается внутри статора. Магнитные полюсы проецируются на корпус ротора.

Конструкция генератора переменного тока
Структурная схема синхронного альтернатора: 1 – магнитное поле ротора; 2 – проводник статора; a-a’, b-b’, c-c’ – секции статора; 3, 4 – области действия демпферных обмоток, N, S — магниты

Арматурные проводники размещены на статоре. В проводниках якоря индуцируется переменное трехфазное напряжение, представленное секциями (aa’, bb’, cc’), что составляет в целом генерацию трехфазной электрической мощности.

Большая часть современных электростанций используют подобную конструкцию генераторов трехфазного тока. Для народного хозяйства генератор переменного тока (синхронный генератор) является важным инструментом, а для сферы энергетиков это оборудование высокой значимости.

Генератор переменного тока часто называют синхронным генератором. Такая интерпретация обусловлена очевидными факторами. Магнитные полюсы генератора переменного тока сделаны под вращение на синхронной скорости, которая рассчитывается формулой:

 Ns = 120 f / P

где: f — частота переменного тока, P — количество магнитных полюсов.

Большинство практических конструкций генераторов переменного тока имеют стационарно сидящую обмотку якоря и вращающееся магнитное поле. Этим машина отличается от генератора постоянного тока, где расположение элементов конструкции в точности наоборот.

Стандартная модификация генератора переменного тока рассчитана на поддержку очень высоких мощностей, порядка нескольких сотен мегаватт. И этот фактор – ещё одно отличие для сравнения с генераторами постоянного тока.

Для обеспечения такой высокой мощности, вес и размеры естественным образом требуют увеличения. Но для достижения высокой эффективности разумно заменять мощные обмотки якоря менее мощными.

Снижение мощности обмоток способствует снижению веса, уменьшая центробежную силу, необходимую для поворота ротора и допускающей более высокие пределы скорости.

Конструкции генераторов переменного тока наделяются, главным образом, двумя типами роторов:

  1. Ротор выступающих полюсов.
  2. Ротор гладкий цилиндрический.

Ротор выступающих полюсов

Первый тип обычно используется на машинах с медленной скоростью, имеющих большие диаметры и относительно небольшие осевые длины.

В этом случае полюса выполнены из толстых слоистых стальных секций, склеенных вместе и прикрепленных к ротору механическим соединением.

Ротор выступающих полюсов
Структурная схема ротора с выступающими полюсами: 1 – обмотка возбуждения; 2 – тело полюса; 3 – башмак полюса; 4 – отверстие для насадки на вал; 5 – демпферная арматура (обмотка)

Как упоминалось ранее, генератор переменного тока в основном отвечает за генерацию очень высокой электрической мощности.

Чтобы добиться высоких мощностей, механический ввод вращающего момента также должен быть очень высоким. Это высокое значение крутящего момента приводит к эффекту генерации на синхронной машине.

Между тем генерацию необходимо ограничивать заданными пределами. Поэтому торможение демпферными обмотками предусмотрено на магнитных полюсах, как показано на рисунке.

Демпферные обмотки генератора переменного тока в основном представляют собой медные штыри, закороченные с двух концов, которые помещаются в отверстия, выполненные на оси полюса.

Когда генератор переменного тока работает с постоянной скоростью, относительная скорость демпфирующей обмотки относительно основного поля будет равна нулю.

Но как только генератор отходит от синхронной скорости, возникает относительное движение между обмоткой демпфера и основным полем, которое всегда вращается с синхронной скоростью.

Эта относительная разность вызывает формирование дополнительного тока в обмотках, который неизбежно приводит к изменению крутящего момента полюсов таким образом, чтобы генератор продолжал работать на синхронной скорости.

Характерной особенностью структуры магнитных полюсов для таких конструкций являются:

  1. Большой диаметр по сравнению с более короткой горизонтальной осевой длиной.
  2. Полюсные башмаки покрывают не более 2/3 высоты полюса.
  3. Полюса ламинируются для уменьшения потерь вихревых токов.

Генераторы, наделённые роторами с выступающими полюсами, обычно используются на скоростях 100 — 400 об/мин. Такие конструкции генераторов переменного тока применяются на электростанциях с гидравлическими турбинами или дизельными двигателями.

Цилиндрический ротор генератора

Цилиндрический ротор обычно используется на высокоскоростных генераторах, вращение которых обеспечивает паровая турбина (турбогенераторы). Машины производятся для эксплуатации в диапазоне мощностей 10 — 1500 мегавольт-ампер.

Цилиндрический ротор генератора
Структурная схема ротора цилиндрической формы, применяемого в альтернаторе: 1 – отверстие посадки на вал; 2 – магнитный полюс; 3 – катушка магнитного полюса; 4 – слот для катушки магнитного поля

Генератор с цилиндрическим ротором имеет равномерную длину в любом направлении, цилиндрическую форму под ротор, чем обеспечивается равномерная «резка» потока по всем направлениям.

Цилиндрический ротор представляет собой гладкий сплошной стальной цилиндр с определённым числом прорезей (слотов), расположенных вдоль внешней периферии. Прорези (слоты) сделаны под размещение полюсных катушек.

Генераторы с цилиндрическими роторами обычно выпускаются как машины 2-полюсного типа, поддерживающие скорость вращения до 3000 об/мин.

Кроме того, выпускаются четырёхполюсные генераторы, скорость которых ограничивается частотой 1500 об/мин. Машины с цилиндрическим ротором обеспечивают лучший баланс и более тихую работу наряду с меньшими потерями.


 


Комментариев: 2 “Генератор (альтернатор) тока – виды и принцип действия”

  1. Аффторы!
    Посмотрите на рисунок правила «ПРАВОЙ» руки. Что там изображено?!

Добавить комментарий

Внимание: Спам не пройдёт. Работает фильтрация комментариев. *