Электричество не является первичной энергией, свободно присутствующей в природе в значительных количествах, и для использования его в промышленности и быту оно должно быть произведено. Большую его часть создают устройства, преобразующие движущую силу в электрический ток - так работают генераторы, источниками механической энергии для которых могут служить паровые и водяные турбины, ДВС и даже мускульная сила человека.
История и эволюция
Открытие Майклом Фарадеем в 1831 г. законов электромагнитной индукции стало основой для построения электрических машин. Но до появления электрического освещения не было необходимости в коммерческой реализации технологии. В ранних потребителях электроэнергии, например, в телеграфе, как источник питания использовались гальванические батареи. Это был очень дорогой способ производства электричества.
В конце XIX века многие изобретатели искали применение принципу индукции Фарадея для выработки электроэнергии механическим способом. Одними из важных достижений были разработка динамо Вернером фон Сименсом и производство Ипполитом Фонтеном рабочих моделей генераторов Теофила Грамма. Первые устройства использовались вместе с приборами наружного дугового освещения, известными как свечи Яблочкова.
На смену им пришла весьма успешная система Томаса Эдисона на лампах накаливания. В основе его коммерческих электростанций были мощные генераторы, но схема, построенная на производстве постоянного тока, была плохо приспособлена для распределения питания на большие расстояния из-за внушительных теплопотерь.
Никола Тесла разработал усовершенствованный генератор переменного тока, а также практичный асинхронный двигатель. Эти электрические машины наряду с трансформаторами для повышения и понижения напряжения дали основу для создания электрокомпаниями более крупных сетей распределения с использованием мощных электростанций. В больших энергетических системах переменного тока затраты на генерацию и транспортировку были в несколько раз ниже, чем в схеме Эдисона, что стимулировало спрос на электроэнергию и, как следствие, дальнейшую эволюцию электрических машин. Основными датами в истории генераторов можно считать:
Принцип работы
Генераторы, работающие на принципе электромагнитной индукции, не создают электричества. Они с помощью механической энергии лишь приводят в движение электрические заряды, которые всегда присутствуют в проводниках. Принцип работы электрогенератора можно сравнить с водяным насосом, вызывающим поток воды, но не создающим воду в трубах. Подавляющее большинство индукционных генераторов представляет собой электрические машины вращательного типа , состоящие из двух основных компонентов:
- статор (неподвижная часть);
- ротор (вращающаяся часть).
Для иллюстрации того, как работает электрогенератор, может служить простейшая электрическая машина, состоящая из витка проволоки и U-образного магнита. Основные принципиальные элементы этой модели:
- магнитное поле;
- движение проводника в магнитном поле.
Магнитным полем называется область вокруг магнита, где его сила ощутима. Чтобы лучше понимать работу модели, можно представить силовые линии, выходящие с северного полюса магнита и возвращающиеся в южный. Чем сильнее магнит, тем большее количество силовых линий он создаёт. Если виток начать вращать между полюсами, то обе его стороны начнут пересекать воображаемые магнитные линии. Это вызывает движение электронов в проводнике (генерацию электричества).
В соответствии с правилом правой руки при вращении витка в нём будет индуцироваться ток, изменяющий своё направление через каждые пол-оборота, так как силовые линии сторонами витка будут пересекаться то в одном, то в другом направлении. Дважды за каждый оборот виток проходит через положения (параллельно полюсам), при которых электромагнитная индукция не возникает. Таким образом, простейший генератор работает как электрическая машина, производящая переменный ток. Создаваемое им напряжение может быть изменено за счёт:
- силы магнитного поля;
- скорости вращения витка;
- количества витков провода, пересекающих силовые линии магнитного поля.
Виток проводника, проворачивающийся между полюсами магнита, создаёт ещё один важный эффект. Когда в витке протекает ток, он создаёт электромагнитное поле, обратное полю постоянного магнита. И чем больше электричества индуцируется в витке, тем сильнее магнитное поле и сопротивление проворачиванию проводника. Эта же магнитная сила в витках вызывает вращение ротора электромотора, то есть при определённых условиях генераторы могут работать как двигатели и наоборот.
Особенности генераторов AC
Переменный ток (AC) производит описанный простейший генератор. Для того чтобы созданное электричество можно было использовать, его нужно каким-то образом доставить к нагрузке. Это осуществимо при помощи контактного узла на валу, состоящего из вращающихся колец и скользящих по ним фиксированных деталей из углерода, называемых щётками. Каждый конец вращающегося проводника соединён с соответствующим кольцом, и ток, таким образом создаваемый в витке, проходит через кольца и щётки к нагрузке.
Строение промышленных машин
Практические генераторы отличаются от простейших. Обычно они снабжены возбудителем - вспомогательным генератором, подающим постоянный ток электромагнитам, используемым для создания магнитного поля в генераторе.
Вместо витка в простейшей модели практические устройства оснащают обмотками из медной проволоки, а роль магнита выполняют катушки на железных сердечниках. В большинстве генераторов переменного тока электромагниты, создающие переменное поле, размещаются на роторе, а электроэнергия индуцируется в катушках статора.
В подобных устройствах коллектор используется для переноса постоянного тока от возбудителя на магниты. Это значительно упрощает конструкцию, так как удобнее передавать через щётки слабые токи и принимать высокое напряжение с неподвижных обмоток статора.
Применение в сетях
В некоторых машинах количество секций обмоток совпадает с количеством электромагнитов. Но большинство генераторов AC оснащено тремя наборами катушек для каждого полюса. Такие машины производят три потока электричества и называются трёхфазными. Их удельная мощность значительно выше, чем у однофазных.
На электростанциях в качестве преобразователей механической энергии в электрическую служат генераторы AC. Это связано с тем, что напряжение переменного тока легко увеличить или уменьшить с помощью трансформатора. В крупных генераторах производится напряжение около 20 тыс. вольт. Затем оно повышается более чем на порядок для возможности транспортировки электричества на большие расстояния. В месте применения электроэнергии с помощью серии понижающих трансформаторов создаётся напряжение, пригодное для использования.
Устройство динамо-машин
Виток провода, вращающийся между полюсами магнита, за каждый оборот дважды меняет полюса на концах проводника. Чтобы превратить простейшую модель в генератор постоянного тока, необходимо сделать две вещи:
- отвести ток с витка на нагрузку;
- организовать протекание отведённого тока только в одном направлении.
Роль коллектора
Устройство, называемое коллектором, способно выполнить обе задачи. Его отличие от контактного щёточного узла в том, что его основу составляет не кольцо из проводника, а набор из сегментов, изолированных друг от друга. Каждый конец вращающегося контура соединён с соответствующим сектором коллектора, а две неподвижные угольные щётки снимают с коммутатора электрический ток.
Коллектор устроен таким образом, что независимо от полярности на концах витка и фазы вращения ротора контактная группа обеспечивает току нужное направление при передаче его на нагрузку. Обмотки в практических динамо состоят из множества сегментов, поэтому для генераторов постоянного тока из-за необходимости их коммутации схема, при которой якорь с индуцируемыми катушками вращается в магнитном поле, оказалась предпочтительнее.
Питание электромагнитов
Классические динамо используют постоянный магнит для индуцирования поля. Остальные генераторы DC нуждаются в питании для электромагнитов. В так называемых раздельно возбуждаемых генераторах для этого используются внешние источники постоянного тока. Самовозбуждающиеся устройства реализуют часть самостоятельно производимого электричества для управления электромагнитами. Запуск таких генераторов после остановки зависит от их возможности накапливать остаточный магнетизм. В зависимости от способа соединения катушек возбуждения с обмотками якоря разделяют:
- шунтовые (с параллельным возбуждением);
- сериесные (с последовательным возбуждением);
- смешанного возбуждения (с комбинацией шунтового и последовательного).
Типы возбуждения применяются в зависимости от требуемого контроля напряжения. Например, генераторы, используемые для зарядки аккумуляторов, нуждаются в простом управлении напряжением. В этом случае подходящим типом будет шунтовой. В качестве машин, генерирующих энергию для пассажирского лифта, применяют отдельно возбуждаемый генератор, так как подобные системы требуют сложного управления.
Применение коллекторных генераторов
Многие генераторы DC приводятся в действие двигателями переменного тока в комбинациях, называемых мотор-генераторными установками. Это один из способов изменения переменного тока на постоянный. Заводы, выполняющие гальванизацию, производящие алюминий, хлор и некоторые другие материалы электрохимическим способом, нуждаются в большом количестве прямого тока.
С помощью дизель-электрогенераторов производится также энергоснабжение DC на локомотивах и судах. Поскольку коллекторы являются сложными и ненадёжными устройствами, зачастую генераторы DC заменяются на машины, производящие AC в сочетании с электронными. Коммутаторные генераторы нашли применение в маломощных сетях, позволяющих использовать динамо на постоянных магнитах без контуров возбуждения.
Существуют и другие типы устройств, которые способны производить электричество. К ним относятся электрохимические батареи, термоэлектрические и фотоэлектрические элементы, топливные преобразователи. Но в сравнении с индукционными генераторами AC/DC их доля в мировом производстве энергии ничтожна.
Автономные генераторы зачастую бывают незаменимыми, и полный список их возможных применений будет очень длинным — от обеспечения электроэнергией пляжной вечеринки на выходных до постоянной работы у частного здания. Широкий спектр выполняемых работ породил большое количество типов автономных генераторов, отличающихся как конструктивно, так и по характеристикам. Общим же у них является принцип действия — двигатель внутреннего сгорания того или иного типа вращает вал электрогенератора, преобразуя механическую энергию в электрическую .
- Бытовой генератор — это, как правило, переносной агрегат с бензиновым двигателем, не предназначенный для длительной работы, имеющий мощность в несколько кВА.
- Профессиональные генераторы имеют повышенные мощность и время беспрерывной работы, а для большей топливной экономичности и увеличения ресурса на них, как правило, устанавливаются двигатели. При этом, если бытовые электрогенераторы вырабатывают ток напряжением 220 В, то профессиональные генераторы в подавляющем большинстве , рассчитанные на 380 В выходного напряжения. Большие габариты и масса заставляют либо размещать мощные генераторы на колесном шасси, либо делать их стационарными.
Итак, в этой классификации мы уже обнаружили ряд конструктивных различий. Рассмотрим их по порядку.
Как известно, бензиновый двигатель может работать как
. При этом низкая экономичность и ограниченный ресурс делает двухтактные двигатели не самым лучшим выбором для привода электрогенератора, хотя они и проще в конструкции, а значит — дешевле и легче.
Четырехтактный же двигатель, хотя он сложнее и дороже , расходует значительно меньше топлива и способен проработать гораздо больше . Поэтому генераторы мощностью до 10 кВА, как правило, оснащаются двигателями именно такого типа.
Двигатели бытовых бензогенераторов не предназначены для длительной беспрерывной эксплуатации . Превышение времени работы, указанного в инструкции по эксплуатации (как правило, не более 5-7 часов), сократит ресурс мотора.Однако же, даже самые совершенные бензиновые двигатели имеют ограниченный ресурс : при должном уходе они проработают 3-4 тысячи моточасов. Много это или мало? При эпизодическом использовании на выезде, например, для подключения электроинструмента — это достаточно большой ресурс, а вот постоянно запитывать частный дом от бензогенератора значит ежегодно перебирать его двигатель.
Значительно больший ресурс имеют силовые агрегаты, кроме того, они выгоднее при длительной эксплуатации за счет большей экономичности. По этой причине все мощные генераторные установки, как переносные, так и стационарные, используют дизельные моторы.
Для таких агрегатов ряд недостатков дизельных моторов по сравнению с бензиновыми (дороговизна, больший вес и шумность) не являются принципиальными, определенное неудобство есть лишь при запуске дизельных моторов в холодное время.
При эксплуатации нужно учитывать, что длительная работа на холостом ходу без нагрузки для них вредна : нарушается полнота сгорания топлива, что приводит к повышенному образованию сажи, забивающей выпуск, и разжижению моторного масла просачивающимся через поршневые кольца дизельным топливом. Поэтому в список регламентных работ для дизельных электростанций обязательно включается периодический вывод их на полную мощность.Кроме того, существуют и генераторы, работающие . Конструктивно они ничем не отличаются от бензиновых , кроме системы питания: вместо карбюратора они оснащены редуктором для регулирования давления газа и калиброванной форсункой, подающей газ во впускной коллектор. При этом такие генераторы в качестве источника топлива могут использовать не только баллон со сжиженным газом, но и газовую сеть — в этом случае расходы на топливо становятся минимальными. Недостатком подобных генераторов является низкая мобильность (газовый баллон габаритнее и тяжелее бензобака, который, к тому же, можно дозаправлять прямо на месте), а также повышенная пожароопасность, особенно при неграмотной эксплуатации. Однако в качестве источника в доме, подключенном к газовой магистрали, это неплохой вариант: нет необходимости заботиться о поддержании уровня и качества топлива в бензобаке, а ресурс двигателя при работе на газу выше, чем при работе на бензине.
Генератор тока — это электрическая машина, которая преобразует механическую энергию в электрическую. Они могут генерировать как постоянный, так и переменный ток.
До второй половины XX века на автотранспорте применялись генераторы постоянного тока. Затем широкое распространение получили полупроводниковые диоды, которые позволяли выпрямить переменный ток или сделать его постоянным. Поэтому и в этой сферы генераторы постоянного тока заменили более надежные и компактные трехфазные генераторы переменного тока.
В Я подробно рассмотрел вопросы работы электродвигателя, сейчас будут изложены общие принципы работы и устройства генератора тока. Я не буду подробно останавливаться на машинах постоянного тока, потому что в быту, гаражах и на автотранспорте они сегодня не применяются. Они лишь широко используются в городском электротранспорте: троллейбусах и трамваях.
Принцип действия генератора тока
Генератор работает на основе закона электромагнитной индукции Фарадея- электродвижущая сила (ЭДС) индуцируется в прямоугольном контуре (проволочной рамке), вращающимся в однородном вращающемся магнитном поле.
ЭДС также возникает в неподвижной прямоугольной рамке, если в ней вращать магнит.
Простейший генератор представляет собой прямоугольную рамку, размешенную между 2 магнитами с разными полюсами. Для того что бы снять с вращающейся рамки напряжение используются токосъемные кольца.На практике же используются электромагниты, которые представляют собой катушки индуктивности или обмотки из медного провода в электроизоляционном лаке. При прохождении электрического тока по обмоткам, они начинают обладать электромагнитными свойствами. Для их возбуждения необходим дополнительный источник тока- в автомобилях это аккумуляторная батарея. В бытовых электростанциях возбуждение при заводке происходит в результате самовозбуждения или от дополнительного маломощного генератора постоянного тока, который приводится в движение валом генератора.
По принципу работы генераторы могут быть синхронными или асинхронными.
- Асинхронные генераторы конструктивно просто устроены и недороги в изготовлении, более устойчивы к токам короткого замыкания и перегрузок. Асинхронный электрогенератор идеально подходит для питания активной нагрузки: ламп накаливания, электронагревателей, электроники, электрических конфорок и т. д. Но даже кратковременная перегрузка для них недопустима, поэтому при подключении электродвигателей, не электронного типа сварочного аппарата, электроинструмента и других индуктивных нагрузок- запас по мощности должен быть минимум трехкратным, а лучше четырехкратным.
- Синхронный генератор прекрасно подойдет для индуктивных потребителей с высокими значениями пусковых токов. Они способны в течении одной секунды выдерживать пятикратную токовую перегрузку.
Устройство генератора переменного тока
Для примера рассмотрения устройства возьмем автомобильный трехфазный генератор.
Автомобильный генератор состоит из корпуса и двух крышек с отверстиями для вентиляции. Ротор вращается в 2 подшипниках и приводится в движение при помощи шкива. По своей сути ротор является электромагнитом, состоящий из одной обмотки. Ток на нее подается при помощи двух медных колец и графитовых щеток, которые соединены с электронным реле-регулятором. Оно отвечает за то, что бы выдаваемое напряжение генератором всегда было в допустимыми пределах 12 Вольт с допустимыми отклонениями и не зависело от частоты вращения шкива. Реле-регулятор может быть как встроено в корпус генератора, так и находится за его пределами.
Статор состоит из трех медных обмоток, соединенных между собой в треугольник. К точкам их соединения подключен выпрямительный мост из 6 полупроводниковых диодов, которые преобразуют напряжение из переменного в постоянное.
Бензиновый электрогенератор состоит из двигателя и приводящего им в движение на прямую- генератора тока, который может быть как синхронного, так и асинхронного типа.
Двигатель оснащен системами:
запуска, впрыска топлива, охлаждения, смазки, стабилизации оборотов. Вибрацию и шум поглощают глушитель, виброгасители и амортизаторы.
Генератор превращает механическую энергию в электрическую путем вращения проволочной катушки в магнитном поле. Электрический ток вырабатывается и тогда, когда силовые линии движущегося магнита пересекают витки проволочной катушки {рисунок справа). Электроны {голубые шарики) перемещаются по направлению к положительному полюсу магнита, а электрический ток течет от положительного полюса к отрицательному. До тех пор, пока силовые линии магнитного поля пересекают катушку (проводник), в проводнике индуцируется электрический ток.
Аналогичный принцип работает и при перемещении проволочной рамки относительно магнита {дальний рисунок справа), т. е. когда рамка пересекает силовые линии магнитного поля. Индуцированный электрический ток течет таким образом, что его поле отталкивает магнит, когда рамка приближается к нему, и притягивает, когда рамка удаляется. Каждый раз, когда рамка изменяет ориентацию относительно полюсов магнита, электрический ток также изменяет свое направление на противоположное. Все то время, пока источник механической энергии вращает проводник (или магнитное поле), генератор будет вырабатывать переменный электрический ток.
Принцип действия генератора переменного тока
Простейший генератор переменного тока состоит из проволочной рамки, вращающейся между полюсами неподвижного магнита. Каждый конец рамки соединен со своим контактным кольцом, скользящим по электропроводной угольной щетке (рисунок над текстом). Индуцированный электрический ток течет к внутреннему контактному кольцу, когда соединенная с ним половина рамки проходит мимо северного полюса магнита, и, наоборот, к внешнему контактному кольцу, когда мимо северного полюса проходит другая половина рамки.
Трехфазный генератор переменного тока
Одним из наиболее экономически выгодных способов выработки сильного переменного тока является использование одного магнита, вращающегося относительно нескольких обмоток. В типичном трехфазном генераторе три катушки расположены равноудалено от оси магнита. Каждая катушка вырабатывает переменный ток, когда мимо нее проходит полюс магнита (правый рисунок).
Изменение направления электрического тока
Когда магнит вдвигается в проволочную катушку, он индуцирует в ней электрический ток. Этот ток заставляет стрелку гальванометра отклоняться в сторону от нулевого положения. Когда магнит вынимается из катушки, электрический ток изменяет свое направление на противоположное, и стрелка гальванометра отклоняется в другую сторону от нулевого положения.
Переменный ток
Магнит не будет индуцировать электрический ток до тех пор, пока его силовые линии не начнут пересекать проволочную петлю. Когда полюс магнита вдвигается в проволочную петлю, в ней индуцируется электрический ток. Если магнит прекращает движение, электрический ток (голубые стрелки) также прекращается (средняя диаграмма). Когда магнит вынимается из проволочной петли, в ней индуцируется электрический ток, текущий в противоположном направлении.
Развитие автомобилестроения сопровождалось ростом требований к безотказности и увеличению срока службы автомобилей, комфорту их эксплуатации, снижению эксплуатационных затрат на техническое обслуживание и ремонт, а также соответствие все возрастающим требованиям безопасности движения.
В связи с этим появилась необходимость существенного увеличения мощности и срока службы автомобильных генераторов, как основных источников электрического тока, улучшения их эксплуатационных характеристик и снижения эксплуатационных затрат. Появилась необходимость уменьшения габаритных размеров и массы генераторов, как, впрочем, и многих других агрегатов и устройств, что позволяло гибко проектировать компоновку и внешний дизайн автомобилей, а также получать экономию дорогостоящих металлов.
Удовлетворение перечисленных требований путем совершенствования конструкции и технологии производства генераторов постоянного тока, учитывая низкую надежность и малый срок службы щеточно-коллекторного узла, а также габаритные размеры и массу генераторов постоянного тока, стало неосуществимо. Поэтому было выбрано новое направление в развитии автомобильных генераторов – создание генераторов переменного тока.
Название «генератор переменного тока» несколько условно, и касается в основном особенностей конструкции генератора, поскольку они оснащены встроенными полупроводниковыми выпрямителями и питают потребители постоянным (выпрямленным) током.
В генераторах постоянного тока таким выпрямителем является щеточно-коллекторный узел, осуществляющий выпрямление переменного тока, полученного в обмотках якоря.
Развитие полупроводниковой техники позволило применить в генераторах переменного тока более совершенный и надежный выпрямитель на полупроводниковых диодах, в котором отсутствовали механические детали и узлы, подверженные износу и отказам.
Преимущества и недостатки генераторов переменного тока
К основным преимуществам генераторов переменного тока по сравнению с генераторами постоянного тока можно отнести следующие свойства:
- при одинаковой мощности их масса в 1,8…2,5 раза меньше, причем примерно в три раза меньше расходуется ценного цветного металла – меди;
- при одинаковых габаритах генераторы переменного тока выдают большую мощность;
- ток начинает вырабатываться при меньшей частоте вращения ротора;
- проще схема и конструкция регулирующего устройства вследствие отсутствия элемента ограничения силы тока и реле обратного тока;
- проще и надежнее конструкция токосъемного устройства, особенно, в бесконтактных генераторах переменного тока;
- меньше эксплуатационные затраты из-за высокой надежности работы и увеличения срока службы.
С практической точки зрения преимущества генератора переменного тока проявляются в том, что вырабатываемый им ток снимается с неподвижных обмоток, закрепленных на корпусе-статоре. Обмотка возбуждения, выполненная на вращающемся роторе, существенно легче неподвижных обмоток статора, поэтому ротор можно вращать с большей скоростью, не опасаясь явлений дисбаланса вращающихся масс. Да и ток возбуждения в этом случае подвести проще, поскольку он небольшой. В результате щетки и контактные кольца служат дольше.
Кроме того, генератор постоянного тока, в отличие от генератора переменного тока, начинает вырабатывать ток при относительно большой частоте вращение якоря. По этой причине для его полноценного функционирования, например, на холостых оборотах двигателя, необходимо значительное передаточное число привода, что в дальнейшем (на рабочей частоте коленчатого вала) может привести к дисбалансу (из-за значительной массы якоря), износу подшипников и элементов привода генератора.
Определенное преимущество генераторов переменного тока проявляется, также, в том, что при необходимости получения высокого напряжения (например, для питания высоковольтных потребителей), достаточно использовать небольшой трансформатор. Увеличить напряжение постоянного тока таким способом не удастся. Несмотря на то, что в автомобильных бортовых сетях необходимость получения высокого напряжения возникает крайне редко, такую возможность нельзя сбрасывать со счетов.
Основные недостатки генератора переменного тока - необходимость выпрямления вырабатываемого им тока, а также некоторое рассеивание мощности в окружающих ротор и статор металлических деталях из-за возникновения вихревых и реактивных токов в переменном электромагнитном поле. Тем не менее, достоинства генераторов переменного тока с лихвой окупают отмеченные недостатки.
Первые автомобильные генераторы переменного тока были спроектированы для работы с отдельными селеновыми выпрямителями и вибрационными регуляторами напряжения. Селеновые выпрямители имели значительные размеры, и их приходилось размещать отдельно от генератора, в местах, где обеспечивалось хорошее охлаждение. Для присоединения такого выпрямителя к генератору требовалась дополнительная проводка.
Кроме того, селеновые выпрямители были недостаточно теплостойки, и допускали максимальную рабочую температуру не выше +80 ˚С.
По этим причинам в дальнейшем от селеновых выпрямителей отказались, и стали применять кремниевые диоды, которые были менее габаритны, обладали хорошей теплостойкостью, что позволяло размещать их непосредственно в генераторе.
На смену вибрационным регуляторам напряжения пришли сначала контактно-транзисторные, а затем бесконтактные на дискретных элементах и бесконтактные интегральные регуляторы.
Габаритные размеры интегральных регуляторов позволяют встраивать их в генератор, который совместно со встроенными регулятором и выпрямительным блоком называется генераторной установкой.
Принципиальное устройство генератора переменного тока
На рис. 1 представлена упрощенная схема генератора переменного тока, который состоит из двух основных частей: статора с неподвижной обмоткой, в которой индуцируется переменный ток, и ротора, создающего магнитное поле.
Полюсы ротора поочередно проходят мимо неподвижных катушек статора, размещенных на пазах с внутренней стороны корпуса генератора. При этом изменяется направление магнитного потока, а, следовательно, и направление индуцируемой в катушке ЭДС.
Обычно число полюсов магнита на роторе и число катушек в корпусе позволяет получить трехфазный ток. У трехфазных генераторов обмотки имеют одну общую точку, где соединяются их концы, поэтому такая схема соединения называется «звездой», а общая точка обмотки – нулевой точкой.
Вторые концы обмоток присоединяют к двухполупериодному выпрямителю. Магнитное поле ротора может создаваться постоянным магнитом или электромагнитом. В последнем случае к обмотке возбуждения электромагнита подводится постоянное напряжение.
Применение в роторе электромагнитов усложняет конструкцию генератора, так как необходимо подводить напряжение к вращающейся детали – ротору, но в этом случае возможно регулирование напряжения изменением частоты вращения ротора. Кроме того, магнитные свойства постоянных магнитов существенно зависят от их температуры.
Более подробно устройство и работа автомобильного генератора переменного тока приведены на следующей странице .
Бесконтактные генераторы с электромагнитным возбуждением
Для автомобильных генераторов надежность и срок службы определяются тремя факторами:
- качеством электрической изоляции;
- качеством подшипниковых узлов;
- надежностью токосъемных (щеточно-контактных) устройств.
Первые два фактора зависят от уровня развития смежных производств. Третий фактор может быть исключен путем использования бесконтактных генераторов, имеющих более высокую надежность и ресурс, чем контактные генераторы, использующие щеточно-контактные токосъемные устройства. Это стимулировало создание автомобильных бесконтактных генераторов переменного тока с электромагнитным возбуждением – индукторных генераторов и генераторов с укороченными полюсами.
К бесконтактным генераторам с электромагнитным возбуждением относятся индукторные генераторы и генераторы с укороченными клювами. Работает генератор следующим образом. Обмотка возбуждения, по которой протекает постоянный ток, создает в магнитной системе поток, который при вращении ротора изменяется по величине без изменения знака. Этот поток замыкается, проходя через воздушные зазоры между валом и элементами ротора, зубцы которого выполнены в виде звездочки, воздушный зазор между ротором и статором, магнитопровод статора и крышку генератора.
Изменение магнитного потока в якоре при вращении ротора происходит за счет изменения магнитного сопротивления воздушного зазора между зубцами статора и ротора.
Магнитный поток Ф
у индукторных генераторов пульсирующий. Магнитный поток в воздушном зазоре периодически изменяется от Ф mах
, когда оси зубцов ротора и статора совпадают, до Ф min
, когда оси зубцов ротора и статора смещены на угол 180˚
электрических градусов. Таким образом, магнитный поток имеет среднюю постоянную и переменную составляющую с амплитудой
Ф пер = 0,5 (Ф mах - Ф min)
3убец и впадина ротора (индуктора) генератора образуют пару полюсов, поэтому частота тока якоря в индукторе генератора может быть определена по формуле:
f = zn/60 ,
где z - число зубцов ротора.
В генераторах с укороченными полюсами бесконтактность достигается за счет неподвижного крепления обмотки возбуждения с помощью немагнитной обоймы. Полюсы клювообразной формы имеют длину меньше половины длины активной части ротора. В процессе вращения ротора магнитный поток возбуждения пересекает витки обмотки статора, индуцируя в них ЭДС.
Генераторы с укороченными полюсами просты по конструкции, технологичны. Роторы таких генераторов имеют малое рассеяние.
К недостаткам можно отнести несколько большую, чем у контактных генераторов, массу при той же мощности. Также следует отметить трудность крепления обмотки возбуждения и обеспечения жесткости и механической прочности ее крепления.
Применение на автомобилях существующих конструкций индукторных генераторов долго сдерживалось следующими трудностями:
- невысокие удельные показатели;
- повышенный уровень пульсации выпрямленного напряжения;
- повышенный уровень шума.
Дальнейшее совершенствование конструкции и устранение вышеперечисленных недостатков позволило использовать индукторные генераторы переменного тока на автомобилях.
Впервые бесщеточные генераторы с укороченными полюсами 45.3701 и 49.3701 были использованы на автомобилях марки «УАЗ».
Небольшой видеоролик позволит наглядно понять основные принципы работы и устройство автомобильного генератора переменного тока.
