Мироздание предоставило человечеству триллион способов получить электричество, каждый этап развития характеризуется собственными технологиями. Допустим, исторически первым считают генератор постоянного заряда Ван де Граафа. Неверная точка зрения. Люди пользовались прежде другими разновидностями. Сегодня рассмотрим устройство, принцип работы генератора переменного тока. Приступим.

Работа генераторов электрического тока

Принцип призван создать потенциал относительно Земли, считаемую нулем. Неправильно, но все в мире относительно. Хотя земная поверхность несет заряд, играет роль разница потенциалов меж клеммами генератора и почвой. Стоящий на грунте предмет обволакивается полем планеты, считаем постулат верным. Первым изобретен генератор постоянного тока. Скорее напряжения. Вольтаж получался фантастический, тока приборчик давал мало. Принцип действия прост:

Принцип действия генератора

1. Лента трется, локально формируется заряд.
2. Путем конвейерного механизма участок достигает токоснимателя.
3. Проводимостью клеммы вида шара плотность уравнивается.

В результате сфера приобретает заряд, плотностью равный локальному ленты. Понятно, такие генераторы не слишком удобны, в 1831 году Майкл Фарадей создает нечто новое. Пользуясь намагниченной лошадиной подковой, вращающимся медным диском получил электричество по-иному: явлением магнитной индукции. Ток выходил переменный. Следовательно, поле перестало быть статическим, став электромагнитным. Поясним:

• В природе часто встречаются заряды электричества положительного или отрицательного знака, никто не сумел разыскать отдельно полюсы магнита.
• Переменное электрическое поле вызывает соответствующий отклик эфира. Выражен продуцированием переменной магнитной составляющей в плоскости перпендикулярной исходной.

Процесс продолжается беспрерывно, называется электромагнитной волной. Осваивает свободное пространство прямолинейно, пока энергия затухает. Что касается проводов, электричество распространяется сравнительно просто. Но! Пока кабель снабжен оплеткой. Экран пропал, зануление (заземление) отсутствует — волна начинает излучаться. Эффект эксплуатируют беспроводные отвертки-индикаторы, помогают установить (локализовать) источники помех промышленной частоты 50 Гц. И если системный блок компьютера не заземлен, при помощи вещички можно легко исправить недочет.

Помогает проверить вредоносное излучение дисплеев. Частота 50 Гц легко излучается проводами. Аспект увеличивает расходы электростанций (потери), вредит здоровью граждан. Как возникает энергия в генераторе Фарадея? Объясняли школьные учителя: при вращении рамки в поле магнита индукция через площадь меняется, наводится электрический ток.

Механическая энергия движения преобразуется в электрическую. Догадались, человечество эксплуатирует:

1. Падение с плотины вниз масс воды.
2. Энергию пара тепловых, атомных электростанций.

Два главнейших механизма получения энергии. Электричество становится движение лопасти турбины генератора. Природа родила устройства, сжигающие дизельное топливо, керосин, принцип действия мало отличается. Разница ограничена мобильностью, скоростью вращения лопасти.

Выработка электрической энергии городов

Посмотрим устройство генератора тока ГЭС. Для накопления потенциальной энергии движимой руслом реки водами воздвигается плотина. Уровень вверх по течению быстро начинает подниматься. Чтобы избежать прорыва (любого типа), часть многотонной массы стравливается (кое-где ставят специальные шлюзы пропускать рыбу на нерест). Полезная часть течения проходит сквозь направляющий аппарат. Знакомые с устройством реактивных двигателей, поняли речь. Направляющим аппаратом называется конфигурация створок, изменением положения регулируется количество проходящей среды (водя).

Говорили в обзорах, регламентированы жесткие требования на частоту вырабатываемого электричества. Ученые просчитали: можно достичь при нынешнем уровне развития, применяя массивные лопасти, на которых не сказываются малые удары волн. Учитывается средняя масса проходящей воды, мелкие скачки скрадываются несусветной массой винта. Очевидно, имея весомые габариты, скорость вращения бессильна составить 50 Гц (3000 об/мин). Лопасть делает 1-2 об/мин.

Винт вращает ротор генератора. Движущаяся ось, усаженная обмотками возбуждения. Катушки, сквозь которые пропускается постоянный ток для создания устойчивого магнитного поля. Излучения не происходит, значение напряженности постоянное (см. выше). Наблюдаются неявные флуктуации, результат не отражается на сути процесса: валу образован несколькими вращающимися магнитами.

Возникает тонкий момент: как получить частоту 50 Гц. Быстро пришли к выводу: выпрямлять переменный ток, после ставить инвертор обратного преобразования невыгодно. Вдоль статора расположили множество проволочных катушек (рамка из опытов Фарадея), в которых будет наводиться индукция. Путем правильной коммутации с генератора удается снять нужные 230 вольт (на деле стоят еще понижающие трансформаторы) с частотой 50 Гц. Генераторы дают три фазы, сдвинутые на 120 градусов. Возникает новый вопрос – обеспечить стабильность. Подавать дозированное количество воды, пока лопасть набирает скорость? Практически невозможно, поступают следующим образом:

1. Помимо токосъемных катушек статоре содержит возбуждающие.
2. Туда подается напряжение частоты, позволяющей лопасти набрать нужную скорость.
3. Получается фактически громадный синхронный двигатель.

Начальный разгон нагоняется потоком воды, вспомогательное напряжение придерживает винт, пытающийся превысить заданную скорость. Вода фактически толкает махину, напряжение возбуждения послужит регуляции (понятно, на статор подается переменный ток). Требуется получить больше мощности, направляющий аппарат плотины чуть приоткрывается. Масса воды становится более солидной, непременно сорвала бы обороты. Приходится увеличивать ток возбуждения статора, контролирующее поле становится сильнее, ситуация остается в нормальных пределах.

Двигатель внутреннего сгорания Катерпиллер, вращающий генератор

Мощность генератора возрастает. А напряжение, поддерживается уровень? По закону электромагнитной ЭДС Фарадея напряжение определено скоростью изменения магнитного поля, числом витков. Получается, конструктивно выбирая площадь катушек, длину кабеля, задаем выходное напряжение генератора. Разумеется, каждый должен иметь свою скорость вращения лопасти. Выдерживается током возбуждения ротора. При возрастании мощности увеличивается ЭДС. Рост тока возбуждения повышает скорость изменения магнитной напряженности поля.

Нужен способ поддержания прежних параметров. Зачастую становятся развязывающие трансформаторы с переменным коэффициентом передачи. Потребитель меняет ток, напряжение остается постоянным. Обеспечиваются заданные стандартами параметры. Устройство генератора переменного тока основано на возбуждении обмоток статора, остальное сводится к методикам регуляции параметров.

Регулировка параметром генераторов переменного тока

В простейшем случае мощность не поддается изменению. В бытовых (мелких генераторах) схема отслеживает напряжение, меняется значение тока возбуждения. Редко ситуация на руку потребителю. Расходуется солярка. Получается, тратится прежняя энергия, часть рассеивается пространством. Не страшно, когда возвращаем Земле часть скорости реки, жечь топливо задаром редкий скупец захочет.

Читатели поняли: обороты сорвутся, если не уменьшить подачу воды, газа, пара – в общем, движущей силы. Отслеживает отдельная цепь регуляции, снабженная регулировочными механизмами. Частному дому лучше создать систему аккумуляторную, сегодня имеется возможность 12 вольтами постоянного тока питать освещение, ноутбуки, многие другие приборы. Сеть возможно оборудовать отводом для периодического заряда батарей. Методик, как помним, две:

1. С постоянным током. Напряжение варьируется, каждый час заряжается одна десятая емкости. Длительность процесса – 600 минут.
2. С постоянным напряжением. Ток падает по экспоненте, вначале составит сравнительно большие величины. Главный недостаток методики.

Принцип действия генератора переменного тока позволит вести подзарядку аккумуляторов, руководствуясь необходимостью. Понятно, потребуется цепь гальванической развязки перед каскадом батарей. Можно догадаться из прочитанного, ГЭС применяют устройства с подстраиваемым коэффициентом трансформации. Методики реализации затеи могут быть разными:

1. Широкое распространение получили трансформаторы с коммутируемыми обмотками. Число витков может меняться путем переключения контакторами цепей.
2. Более плавный коэффициент обеспечивает скользящий контакт. Здесь витки одной катушки зачищены, токосъемник бегает взад-вперед, меняя число рабочих витков. Понятно, большой ток пропустить сложно, будет возникать искра, в случае ГЭС станет дугой. Скорее устройство регулирования сравнительно малых мощностей.

Из сказанного следует: ток возбуждения ротора ГЭС логично менять скачками в такт переключению обмоток регулирующего трансформатора. Потом происходит плавная подстройка, параметры напряжения приходят в норму. Рассказали в общих чертах, как работает генератор переменного тока. Стоит отметить: конструкцией многообразие не исчерпано. Описанный вид устройств составляет костяк семейства под названием синхронные генераторы переменного тока. Обеспечивают города, по большей части, энергией.

Асинхронный генератор переменного тока

Асинхронные генераторы отличаются отсутствием электрической связи меж статором и ротором. Скорость регулируется направляющим аппаратом. Сообразно стабильность частоты падает, амплитуда напряжения также носит непостоянный характер. В результате можно отметить относительную простоту конструкции асинхронного генератора переменного тока, стабильность параметров не блещет хорошими показателями.

Отличительной чертой назовем способность недостатков асинхронных двигателей плавно перекочевывать, заражая новые устройства. Очевидно, для снабжения потребителей энергией регулируют частоту тока, мощность получается случайной. Хотя, если генератор находится в относительно постоянном окружении, сказанное не окажется большой проблемой.

Генератор тока преобразует механическую (кинетическую) энергию в электроэнергию. В энергетике пользуются только вращающимися электромашинными генераторами, основанными на возникновении электродвижущей силы (ЭДС) в проводнике, на который каким-либо образом действует изменяющееся магнитное поле. Ту часть генератора, которая предназначена для создания магнитного поля, называют индуктором, а часть, в которой индуцируется ЭДС – якорем.

Вращающуюся часть машины называют ротором , а неподвижную часть – статором . В синхронных машинах переменного тока индуктором обычно является ротор, а в машинах постоянного тока – статор. В обоих случаях индуктор представляет собой обычно двух- или многополюсную электромагнитную систему, снабженную обмоткой возбуждения, питаемой постоянным током (током возбуждения), но встречаются и индукторы, состоящие из системы постоянных магнитов. В индукционных (асинхронных) генераторах переменного тока индуктор и якорь не могут четко (конструктивно) различаться друг от друга (можно сказать, что статор и ротор одновременно являются и индуктором и якорем).

Более 95 % электроэнергии на электростанциях мира производится при помощи синхронных генераторов переменного тока . При помощи вращающегося индуктора в этих генераторах создается вращающееся магнитное поле, наводящее в статорной (обычно трехфазной) обмотке переменную ЭДС, частота которой точно соответствует частоте вращения ротора (находится в синхронизме с частотой вращения индуктора). Если индуктор, например, имеет два полюса и вращается с частотой 3000 r/min (50 r/s), то в каждой фазе статорной обмотки индуцируется переменная ЭДС частотой 50 Hz. Конструктивное исполнение такого генератора упрощенно изображено на рис. 1.

Рис. 1. Принцип устройства двухполюсного синхронного генератора. 1 статор (якорь), 2 ротор (индуктор), 3 вал, 4 корпус. U-X, V-Y, W-Z – размещенные в пазах статора части обмоток трех фаз

Магнитная система статора представляет собой спрессованный пакет тонких стальных листов, в пазах которого располагается статорная обмотка. Обмотка состоит из трех фаз, сдвинутых в случае двухполюсной машины друг относительно друга на 1/3 периметра статора; в фазных обмотках индуцируются, следовательно, ЭДС, сдвинутые друг относительно друга на 120o. Обмотка каждой фазы, в свою очередь, состоит из многовитковых катушек, соединенных между собой последовательно или параллельно. Один из наиболее простых вариантов конструктивного исполнения такой трехфазной обмотки двухполюсного генератора упрощенно представлен на рис. 2 (обычно число катушек в каждой фазе больше, чем показано на этом рисунке). Те части катушек, которые находятся вне пазов, на лобовой поверхности статора, называются лобовыми соединениями.

Рис. 2. Простейший принцип устройства статорной обмотки трехфазного двухполюсного синхронного генератора в случае двух катушек в каждой фазе. 1 развертка поверхности магнитной системы статора, 2 катушки обмотки, U, V, W начала фазных обмоток, X, Y, Z концы фазных обмоток

Полюсов индуктора и, в соответствии с этим, полюсных делений статора, может быть и больше двух. Чем медленнее вращается ротор, тем больше должно быть при заданной частоте тока число полюсов. Если, например, ротор вращается с частотой 300 r/min, то число полюсов генератора, для получения частоты переменного тока 50 Hz, должно быть 20. Например, на одной из крупнейших гидроэлектростанций мира, ГЭС Итайпу (Itaipu, см. рис. 4) генераторы, работающие на частоте 50 Hz, исполнены 66-полюсными, а генераторы, работающие на частоте 60 Hz – 78-полюсными.

Обмотка возбуждения двух- или четырехполюсного генератора размещается, как показано на рис. 1, в пазах массивного стального сердечника ротора. Такая конструкция ротора необходима в случае быстроходных генераторов, работающих при частоте вращения в 3000 или 1500 r/min (особенно для турбогенераторов, предназначенных для соединения с паровыми турбинами), так как при такой скорости на обмотку ротора действуют большие центробежные силы. При большем числе полюсов каждый полюс имеет отдельную обмотку возбуждения (рис. 3.12.3). Такой явнополюсный принцип устройства применяется, в частности, в случае тихоходных генераторов, предназначенных для соединения с гидротурбинами (гидрогенераторов), работающих обычно при частоте вращения от 60 r/min до 600 r/min.

Очень часто такие генераторы, в соответствии с конструктивным исполнением мощных гидротурбин, выполняются с вертикальным валом.

Рис. 3. Принцип устройства ротора тихоходного синхронного генератора. 1 полюс, 2 обмотка возбуждения, 3 колесо крепления, 4 вал

Обмотку возбуждения синхронного генератора обычно питают постоянным током от внешнего источника через контактные кольца на валу ротора. Раньше для этого предусматривался специальный генератор постоянного тока (возбудитель), жестко связанный с валом генератора, а в настоящее время используются более простые и дешевые полупроводниковые выпрямители. Встречаются и системы возбуждения, встроенные в ротор, в которых ЭДС индуцируется статорной обмоткой. Если для создания магнитного поля вместо электромагнитной системы использовать постоянные магниты, то источник тока возбуждения отпадает и генератор становится значительно проще и надежнее, но в то же время и дороже. Поэтому постоянные магниты применяются обычно в относительно маломощных генераторах (мощностью до нескольких сотен киловатт).

Конструкция турбогенераторов, благодаря цилиндрическому ротору относительно малого диаметра, очень компактна. Их удельная масса составляет обычно 0,5…1 kg/kW, и их номинальная мощность можеь достигать 1600 MW. Устройство гидрогенераторов несколько сложнее, диаметр ротора велик и удельная масса их поэтому обычно 3,5…6 kg/kW. До настоящего времени они изготовлялись номинальной мощностью до 800 MW.

При работе генератора в нем возникают потери энергии, вызванные активным сопротивлением обмоток (потери в меди), вихревыми токами и гистерезисом в активных частях магнитной системы (потери в стали) и трением в подшипниках вращающихся частей (потери на трение). Несмотря на то, что суммарные потери обычно не превышают 1…2 % мощности генератора, отвод тепла, освобождающегося в результате потерь, может оказаться затруднительным. Если упрощенно считать, что масса генератора пропорциональна его мощности, то его линейные размеры пропорциональны кубическому корню мощности, а поверхностные размеры – мощности в степени 2/3. С увеличением мощности, следовательно, поверхность теплоотвода растет медленнее, чем номинальная мощность генератора. Если при мощностях порядка нескольких сотен киловатт достаточно применять естественное охлаждение, то при бoльших мощностях необходимо перейти на принудительную вентиляцию и, начиная приблизительно со 100 MW, использовать вместо воздуха водород. При еще больших мощностях (например, более 500 MW) необходимо дополнить водородное охлаждение водным. У крупных генераторах надо специально охлаждать и подшипники, обычно используя для этого циркуляцию масла.

Тепловыделение генератора можно значительно уменьшить путем применения сверхпроводящих обмоток возбуждения. Первый такой генератор (мощностью 4 MVA), предназначенный для применения на судах, изготовила в 2005 году немецкая электротехническая фирма Сименс (Siemens AG) . Номинальное напряжение синхронных генераторов, в зависимости от мощности, находится обычно в пределах от 400 V до 24 kV. Использовались и более высокие номинальные напряжения (до 150 kV), но чрезвычайно редко. Кроме синхронных генераторов сетевой частоты (50 Hz или 60 Hz) выпускаются и высокочастотные генераторы (до 30 kHz) и генераторы пониженной частоты (16,67 Hz или 25 Hz), используемые на электрифицированных железных дорогах некоторых европейских стран. К синхронным генераторам относится, в принципе, и синхронный компенсатор, представляющий собой синхронный двигатель, работающий на холостом ходу и отдающий в высоковольтную распределительную сеть реактивную мощность. При помощи такой машины можно покрыть потребление реактивной мощности местных промышленных электропотребителей и освободить основную сеть энергосистемы от передачи реактивной мощности.

Кроме синхронных генераторов относительно редко и при относительно малых мощностях (до нескольких мегаватт) могут использоваться и асинхронные генераторы . В обмотке ротора такого генератора ток индуцируется магнитным полем статора, если ротор вращается быстрее, чем статорное вращающееся магнитное поле сетевой частоты. Необходимость в таких генераторах возникает обычно тогда, когда невозможно обеспечить неизменную скорость вращения первичного двигателя (например, ветряной турбины, некоторых малых гидротурбин и т. п.).

У генератора постоянного тока магнитные полюсы вместе с обмоткой возбуждения располагаются обычно в статоре, а обмотка якоря – в роторе. Так как в обмотке ротора при его вращении индуцируется переменная ЭДС, то якорь необходимо снабжать коллектором (коммутатором), при помощи которого на выходе генератора (на щетках коллектора) получают постоянную ЭДС. В настоящее время генераторы постоянного тока применяются редко, так как постоянный ток проще получать при помощи полупроводниковых выпрямителей.

К электромашинным генераторам относятся и электростатические генераторы , на вращающейся части которых путем трения (трибоэлектрически) создается электрический заряд высокого напряжения. Первый такой генератор (вращаемый вручную серный шар, который электризовался при трении об руку человека) изготовил в 1663 году мэр города Магдебурга (Magdeburg, Германия) Отто фон Гюрике (Otto von Guericke, 1602–1686). В ходе своего развития такие генераторы позволяли открывать многие электрические явления и закономерности. Они и сейчас не потеряли своего значения как средств проведения экспериментальных исследований по физике.

Первый изготовил 4 ноября 1831 года профессор Лондонского Королевского института (Royal Institution) Майкл Фарадей (Michael Faraday, 1791–1867). Генератор состоял из подковообразного постоянного магнита и медного диска, вращающегося между магнитными полюсами (рис. 3.12.4). При вращении диска между его осью и краем индуцировалась постоянная ЭДС. По такому же принципу устроены более совершенные униполярные генераторы, находящие применение (хотя относительно редко) и в настоящее время.

Рис. 4. Принцип устройства униполярного генератора Майкла Фарадея. 1 магнит, 2 вращающийся медный диск, 3 щетки. Рукоятка диска не показана

Майкл Фарадей родился в бедной семье и после начальной школы, в возрасте 13 лет, поступил учеником переплетчика книг. По книгам он самостоятельно продолжал свое образование, а по Британской энциклопедии ознакомился с электричеством, изготовил электростатический генератор и лейденскую банку. Для расширения своих знаний он начал посещать публичные лекции по химии директора Королевского института Гемфри Дэви (Humphrey Davy, 1778–1829), а в 1813 году получил должность его ассистента. В 1821 году он стал главным инспектором этого института, в 1824 году – членом Королевского общества (Royal Society) и в 1827 году – профессором химии Королевского института. В 1821 году он начал свои знаменитые опыты по электричеству, в ходе которых предложил принцип действия электродвигателя, открыл явление электромагнитной индукции, принцип устройства магнитоэлектрического генератора, закономерности электролиза и много других основополагающих физических явлений. Спустя год после вышеописанного опыта Фарадея, 3 сентября 1832 года, парижский механик Ипполит Пикси (Hippolyte Pixii, 1808–1835) изготовил по заказу и под руководством основоположника электродинамики Андре Мари Ампера (Andre Marie Ampere, 1775–1836) генератор с вращаемым вручную, как у Фарадея, магнитом (рис. 5). В якорной обмотке генератора Пикси индуцируется переменная ЭДС. Для выпрямления получаемого тока к генератору вначале пристроили открытый ртутный коммутатор, переключающий полярность ЭДС при каждом полуобороте ротора, но вскоре он был заменен более простым и безопасным цилиндрическим щеточным коллектором, изображенным на рис. 5.

Рис. 5. Принцип устройства магнитоэлектрического генератора Ипполита Пикси (a), график индуцируемой ЭДС (b) и график получаемой при помощи коллектора пульсирующей постоянной ЭДС (c). Рукоятка и конусная зубчатая передача не показаны

Генератор, построенный по принципу Пикси, впервые применил в 1842 году на своем заводе в Бирмингеме (Birmingham) для электропитания гальванических ванн английский промышленник Джон Стивен Вульрич (John Stephen Woolrich, 1790–1843), использовав в качестве приводного двигателя паровую машину мощностью 1 л. с. Напряжение его генератора составляло 3 V, номинальный ток – 25 A и кпд – около 10 %. Такие же, но более мощные генераторы быстро начали внедряться и на других гальванических предприятиях Европы. В 1851 году немецкий военный врач Вильгельм Йозеф Зинштеден (Wilhelm Josef Sinsteden, 1803–1891) предложил использовать в индукторе вместо постоянных магнитов электромагниты и питать их током от меньшего вспомогательного генератора; он же обнаружил, что кпд генератора увеличится, если стальной сердечник электромагнита изготовить не массивным, а из параллельных проволок. Однако идеи Зинштедена стал реально использовать только в 1863 году английский электротехник-самоучка Генри Уайльд (Henry Wilde, 1833–1919), который предложил, среди прочих нововведении, насадить машину-возбудитель (англ. exitatrice) на вал генератора. В 1865 году он изготовил генератор невиданной доселе мощности в 1 kW, при помощи которого он мог демонстрировать даже плавку и сварку металлов.

Важнейшим усовершенствованием генераторов постоянного тока стало их самовозбуждение , принцип которого запатентовал в 1854 году главный инженер государственных железных дорог Дании Сёрен Хьёрт (Soren Hjorth, 1801–1870), но не нашедшее в то время практического применения. В 1866 году этот принцип снова открыли независимо друг от друга несколько электротехников, в том числе уже упомянутый Г. Уайльд, но широко известным он стал в декабре 1866 года, когда немецкий промышленник Эрнст Вернер фон Сименс (Ernst Werner von Siemens, 1816–1892) применил его в своем компактном и высокоэффективном генераторе. 17 января 1867 года в Берлинской академии наук был прочитан его знаменитый доклад о динамоэлектрическом принципе (о самовозбуждении). Самовозбуждение позволило отказатьса от вспомогательных генераторов возбуждения (от возбудителей), что обусловило возможность выработки намного более дешевой электроэнергии в больших количествах. По этой причине год 1866 часто считают годом зарождения электротехники сильного тока. В первых самовозбуждающихся генераторах обмотку возбуждения включали, как у Сименса, последовательно (сериесно) с якорной обмоткой, но в феврале 1867 года английский электротехник Чарлз Уитстон (Charles Wheatstone, 1802–1875) предложил параллельное возбуждение, позволяющее лучше регулировать ЭДС генератора, к которому он пришел еще до сообщений о последовательном возбуждении, открытом Сименсом (рис. 6).

Рис. 6. Развитие систем возбуждения генераторов постоянного тока. a возбуждение при помощи постоянных магнитов (1831), b внешнее возбуждение (1851), c последовательное самовозбуждение (1866), d параллельное самовозбуждение (1867). 1 якорь, 2 обмотка возбуждения. Регулировочные реостаты тока возбуждения не показаны

Необходимость в генераторах переменного тока возникла в 1876 году, когда работающий в Париже русский электротехник Павел Яблочков (1847–1894) стал освещать городские улицы при помощи изготовляемых им дуговых ламп переменного тока (свечей Яблочкова). Первые необходимые для этого генераторы создал парижский изобретатель и промышленник Зеноб Теофиль Грамм (Zenobe Theophile Gramme, 1826–1901). С началом массового производства ламп накаливания в 1879 году переменный ток на некоторое время потерял свое значение, но снова обрел актуальность в связи с ростом дальности передачи электроэнергии в середине 1880-х годов. В 1888–1890 годах владелец собственной научно-исследовательской лаборатории Тесла-Электрик (Tesla-Electric Co., Нью-Йорк, США) эмигрировавший в США сербский электротехник Никола Тесла (Nikola Tesla, 1856–1943) и главный инженер фирмы АЭГ (AEG, Allgemeine Elektricitats-Gesellschaft) эмигрировавший в Германию русский электротехник Михаил Доливо-Добровольский (1862–1919) разработали трехфазную систему переменного тока. В результате началось производство все более мощных синхронных генераторов для сооружаемых тепло- и гидроэлектростанций.

Важным этапом в развитии турбогенераторов может считаться разработка в 1898 году цилиндрического ротора совладельцем швейцарского электротехнического завода Браун, Бовери и компания (Brown, Boveri & Cie., BBC) Чарлзом Эженом Ланселотом Брауном (Charles Eugen Lancelot Brown, 1863–1924). Первый генератор с водородным охлаждением (мощностью 25 MW) выпустила в 1937 году американская фирма Дженерал Электрик (General Electric), а с внутрипроводным водяным охлаждением – в 1956 году английская фирма Метрополитен Виккерс (Metropolitan Vickers).

Это такой тип электрической машины, которая способствует преобразованию механической энергии в электрическую. Основано действие генераторов тока по принципу электромагнитной индукции: электродвижущая сила (ЭДС) наводится в движущемся в магнитном поле проводе.

Производить генератор тока может не только постоянный, но и переменный ток. На латыни слово генератор (generator) означает - производитель.

На мировом рынке наиболее известными поставщиками генераторов являются компании: General Electric (GE), ABB, Siemens AG, Mecc Alte.

Генераторы постоянного тока.

Единственным типом источника для получения электроэнергии на протяжении долгого времени были электрические генераторы .

Переменный ток индуктируется в обмотке якоря генератора постоянного тока , затем он электромеханическим выпрямителем - коллектором преобразуется в постоянный ток. Особенно при большой частоте вращения якоря генератора, процесс выпрямления тока коллектором связан с очень частым износом щеток и коллектора.

Различаются генераторы постоянного тока по характеру их возбуждения, они бывают с самовозбуждением и независимого возбуждения. К независимому источнику питания в генераторах с электромагнитным возбуждением подключается обмотка возбуждения, располагающаяся на главных полюсах.

Постоянными магнитами, из которых производятся полюсы машины, возбуждаются генераторы с магнитоэлектрическим возбуждением. Основное применение генераторы постоянного тока находят в тех отраслях промышленности, где постоянный ток является предпочтительным по условиям производства (предприятия электролизной и металлургической промышленности, суда, транспорт и прочие). В качестве источников постоянного тока и возбудителей синхронных генераторов применяются генераторы постоянного тока на электростанциях.

Может достигать до 10 Мегаватт мощность генератора тока .

При достаточно высоком напряжении получать большие токи позволяют генераторы переменного тока . Несколько типов индукционных генераторов различают в настоящее время.

Они состоят из создающего магнитное поле постоянного магнита или электромагнита и обмотки, индуцируется в которой переменная ЭДС. Так как складываются наводимые в последовательно соединенных витках ЭДС, то в рамке индукции амплитуда ЭДС будет пропорциональна количеству в ней витков. Также она пропорциональна через каждый виток амплитуде переменного магнитного потока. В генераторах тока , чтобы получить большой магнитный поток применяется специальная магнитная система, состоящая из двух сердечников, изготовленных из электротехнической стали. В пазах одного из сердечников размещены создающие магнитное поле обмотки, а в пазах второго располагаются обмотки, в которых индуцируется ЭДС. Один из сердечников называется ротором, так как он вращается вокруг вертикальной или горизонтальной оси, вместе со своей обмоткой.

Другой сердечник называется статором - это неподвижный сердечник с его обмоткой. Как можно меньшим делается зазор между сердечниками ротора и статора, наибольшее значение потока магнитной индукции обеспечивается этим. Электромагнит, являющийся ротором вращается в больших промышленных генераторах , а обмотки, уложенные в пазах статора и в которых наводится ЭДС остаются неподвижными.

С помощью скользящих контактов приходится во внешнюю цепь подводить ток к ротору или отводить его из обмотки ротора. Контактными кольцами, которые присоединены к концам его обмотки для этого снабжается ротор. К кольцам прижаты неподвижные пластины-щетки, они осуществляют связь с внешней цепью обмотки ротора. В обмотках создающего магнитное поле электромагнита, сила тока значительно меньше той силы тока, которую отдает генератор тока во внешнюю цепь. Поэтому гораздо удобнее снимать генерируемый ток с неподвижных обмоток, а сравнительно слабый ток подводить через скользящие контакты к вращающемуся электромагниту. Вырабатывается этот ток, расположенным на том же валу отдельным генератором постоянного тока (возбудителем). Вращающимся магнитом создается магнитное поле в маломощных генераторах тока, щетки и кольца в таком случае вообще не требуются.

Бывают двух типов обмотки возбуждения синхронных генераторов: с явнополюсными и неявнополюсными роторами. Выступают из индуктора несущие обмотки возбуждения в генераторах с явнополюсными роторами полюса. На сравнительно низкие частоты вращения рассчитаны генераторы данного типа, они используются для работы с приводом от поршневых паровых машин, гидротурбин, дизельных двигателей. Для привода синхронных генераторов с неявнополюсными роторами применяются газовые и паровые турбины. Стальную поковку с фрезерованными продольными пазами для витков обмотки возбуждения, которые обычно выполнены в виде медных пластин, представляет собой ротор такого генератора. В пазах фиксируются витки, а для снижения потерь мощности и уровня шума, связанных с сопротивлением воздуха шлифуется, а затем полируется поверхность ротора.

По большей части трехфазными делаются обмотки генераторов тока . Подобное сочетание движущихся частей, способных создавать энергию также экономично и непрерывно, встречается в механике редко.

Современный генератор тока является внушительным сооружением, состоящим из медных проводов, стальных конструкций и изоляционных материалов. С точностью до 1 миллиметра изготавливаются важнейшие детали генераторов, которые сами имеют размеры несколько метров.

После открытия явления электромагнитной индукции М. Фарадеем в 1831 году были изобретены разнообразные электрические машины. Электрогенераторы среди них являются основой всех современных электросетей. Они являются источниками электроэнергии и первыми определяют её количество и качество. Прежде чем появляется возможность использования электричества потребителями необходимо не один раз выполнить преобразование напряжения для уменьшения потерь определяемых передачей электроэнергии.

По этой причине наиболее эффективными уже долгое время являются электросети с переменным напряжением и током. Их частота в разных странах выбирается либо 50, либо 60 Герц, потому что эти значения опять-таки наиболее экономически оправданы на нынешнем этапе развития науки и техники. В самом начале любой электрической сети находится один или несколько синхронных генераторов переменного тока.

Принцип работы

Чтобы в проводнике появился электроток, силовые линии магнитного поля должны быть подвижными относительно этого проводника. С этой целью в генераторе переменного тока подвижный вращающийся магнит, который своим магнитным полем пересекает неподвижные проводники. Он расположен на вале, вращаемом внешним источником механической энергии.

Вал с магнитом называется ротором или индуктором. Конструктивно ротор может быть выполнен как с постоянным магнитом из специального магнитного материала, так и с электромагнитом. Такая электрическая машина называется синхронной, поскольку магнитное поле в ней вращается вместе с ротором.

Для получения наиболее эффективного магнитного поля наибольшее распространение получила конструкция с ротором, изготовленным из специальных сплавов в виде сердечника охваченного витками обмотки, по которой течёт постоянный ток. Обмотка называется как «обмотка возбуждения». Источник тока возбуждения может быть как внешним, так и встроенным в ротор. Внешний источник подключается к двум неподвижным щёткам.

Последние расположены на основании, относительно которого вращается ротор, и образуют скользящие контакты с двумя соответствующими кольцами, расположенными на роторе. Встроенный источник является отдельной обмоткой с выпрямителем переменного тока. Его преимущество состоит в том, что скользящие контакты исключены из такой конструкции. Роторы могут конструктивно отличаться. Они делаются явнополюсными, неявнополюсными, снабжаются демпферными обмотками.

Для того чтобы получить необходимое значение частоты тока и напряжение надо за единицу времени получить определённое число пересечений силовых линий магнитного поля с проводником. С целью наиболее эффективного взаимодействия магнитного поля и проводника он выполнен в виде витков обмотки расположенных на сердечнике из специального сплава. Таких сердечников делается столько, сколько потребуется в соответствии с решаемой технической задачей.

Они располагаются вокруг ротора и называются статором. Каждый сердечник статора состоит из двух частей, между которыми с некоторым зазором расположен ротор. Эти две части образуют так называемую пару полюсов электрогенератора. При вращении противоположные магнитные полюсы ротора перемещаются мимо противоположных частей сердечника статора.

Пары полюсов располагаются на основании относительно которого перемещается ротор. Конструктивно это основание выполнено в виде корпуса генератора переменного тока. Статор, щётки, кольца и ротор скрыты внутри корпуса. Из него выступает вал и клеммы щёток. При вращении вала внешней силой например турбиной статор является источником Э.Д.С. Частота напряжения и тока в статоре зависят от того сколько раз за единицу времени магнитный полюс ротора перемещается мимо сердечников статора.

Конструктивные разновидности

Поэтому влиять на частоту напряжения и тока можно либо скоростью вращения ротора, либо числом пар полюсов, либо и тем и другим вместе. При замедлении скорости вращения ротора для сохранения частоты напряжения и тока следует увеличивать число пар полюсов. Этим отличаются генераторы тепловых электростанций от генераторов гидроэлектростанций и ветряков.

Паровая турбина вращается быстро, а гидротурбина – медленно. Но при этом частота напряжения и тока, которые вырабатывают оба этих генератора одинаковые. Однако у генератора гидроэлектростанции число пар полюсов в несколько раз больше, и они чаще всего делаются с явнополюсными роторами. Генераторы на тепловых электростанциях по причине больших скоростей вращения в 1500 и 3000 об/мин делаются с неявнополюсными роторами. Число пар полюсов зависит и от количества фаз. Одной фазе соответствует одна пара полюсов статора. Поэтому трёхфазные варианты содержат три пары полюсов, как минимум.

• Пространственное расположение пар полюсов в многофазных генераторах определяет фазовый сдвиг напряжений и токов в фазных обмотках.

Пространственное расположение генераторов в рабочем состоянии по положению оси вращения ротора может быть как горизонтальным, так и вертикальным. Работа с паровой или газовой турбиной по причине больших центробежных нагрузок предусматривает только горизонтальное расположение, минимально возможный диаметр и максимально возможную длину генератора. Пример такой электрической машины показан на изображении ниже:

На гидроэлектростанциях в зависимости от напора воды могут использоваться как горизонтальные, так и вертикальные конструкции этих электрических машин. Существуют специальные конструкции явнополюсных генераторов относительно небольших мощностей порядка десяти киловатт. В них индуктор (которым обычно является ротор) неподвижен, а якорь (которым обычно является статор) вращается. Вырабатываемая электроэнергия через кольца и щётки поступает в нагрузку.

Ещё одной разновидностью источника электрической энергии является асинхронный генератор переменного тока. Он имеет наиболее простую конструкцию и высокую надёжность. Но его энергетические характеристики, стабильность частоты напряжения и тока невелики по сравнению с синхронными машинами. Это ограничивает область использования асинхронных генераторов. Они применяются лишь там, где необходима простота, надёжность и наименьшие расходы.

Переменный ток – движущая сила многих производств и транспорта, в частности, автомобилей. Существуют как небольшие модели величиной с кулак, так и гигантские устройства несколько метров в высоту.

Генератор – та самая техническая система, которая преобразует механическую (кинетическую) энергию в электрическую. Как же действует генератор?

Как бы не был устроен генератор, в основе его действия лежит процесс электромагнитной индукции – появление в замкнутом контуре электрического тока под воздействием измененного магнитного потока.

Генератор условно делят на 2 части: индуктор и якорь.

Индуктором называют ту часть устройства, где создается магнитное поле, а якорем – ту половину, где образуется электродвижущая сила или ток.

Постоянным остается его техническое строение: проволочная обмотка и магнит.

В обмотке возникает электродвижущая сила под воздействием магнитного поля. Это основа для генератора. Но мощный переменный ток нельзя получить из такой примитивной конструкции. Для преобразования нужен сильный магнитный поток.

Для этого в проволочную намотку добавляют 2 стальных сердечника, которые и определяют назначение и устройство генератора переменного тока. Это статор и ротор. Обмотка, которая создает магнитное поле, помещается в паз одного сердечника – это статор, или индуктор. Он остается неподвижен в отличие от ротора. Статор питается постоянным током. Бывают двухполюсным или многополюсным.

Ротор, или также — якорь, активно вращается с помощью подшипников и продуцирует электродвижущую силу или переменный ток. Представляет собой внутренний сердечник с медной проволочной намоткой.

Генератор имеет прочный металлический корпус с несколькими выходами, что зависит от целевого назначения устройства. Переменчиво количество катушек с проволочной намоткой.

Разбираемся в особенностях функционирования агрегата

Теперь выясним, на каком принципе основана работа генераторов переменного тока. Схема функционирования достаточно проста и понятна. При условии постоянной скорости ротора электрический ток будет производиться единым потоком.

Вращение ротора провоцирует изменение магнитного потока. В свою очередь электрическое поле порождает появление электрического тока. Через контакты с кольцами на конце ток от ротора проходит в электрическую цепь устройства. Кольца имеют хорошее скользящее свойство. Они прочно контактируют со щеточками, которые являются постоянными неподвижными проводниками между электрической цепью и медной проволочной обмоткой ротора.

В медной обмотке вокруг магнита присутствует ток, но он очень слаб в сравнении с силой электрического тока, который выходит из ротора по цепи в устройство.

По этой причине для вращения ротора используют только слабый ток, подведенный по контактам со скольжением.

При сборке генератора переменного тока очень важно выдерживать пропорции деталей, размер, величины зазоров, толщину проволочных жил.
Собрать генератор переменного тока можно, если в вашем доме найдутся все необходимые детали и достаточное количество медной проволоки. Смастерить небольшой агрегат вполне реально. Или же для использования существует подробная инструкция.

Устройство и принцип работы генератора переменного тока на видео