Асинхронный генератор принцип работы и устройство: описание, характеристики

Обеспечение требований безопасности

Обычно генераторы устанавливают вне закрытых мест. Главное — чтобы они находились там, где гарантирована полная защита от осадков, других воздействий внешней среды. Токсичность продуктов выхлопа — главная причина, по которой генераторы запрещается эксплуатировать именно в закрытых помещениях.

Обратите внимание! Твёрдая неподвижная горизонтальная поверхность без возвышений — оптимальная опора для установки. При монтаже надо проследить за тем, чтобы присутствовало свободное пространство площадью минимум 1 квадратный метр

Такое расстояние должно остаться с каждой стороны от генератора. Это необходимо, чтобы организовать свободную циркуляцию воздуха, исключить теплопередачу от генератора в сторону окружающих предметов.

Со стороны выпускного отверстия не должно быть посторонних предметов. Они могут повредить конструкцию либо стать источником дополнительной опасности для неё. На вентиляционные отверстия тоже не должно попадать никаких загрязнений.

К генератору не должны иметь доступ дети и другие посторонние лица. То же касается других людей, которым не знаком принцип безопасной эксплуатации.

Самостоятельный ремонт генераторов под запретом, для этого надо приглашать специалистов.

Нахождения источников пламени, тлеющего горения рядом с агрегатом недопустимо. Иначе преобразовывать энергию безопасно не получится.

Компактные приборы

Признаки неисправности генератора

В ходе эксплуатации автомобиля в генераторе могут возникнуть различные неполадки – механические либо электрические. К первой группе относятся износ и поломка компонентов устройства, вторую группу составляют различные проблемы с обмоткой, щетками, выход из строя выпрямителя напряжения, реле-регулятора и т.д.

Своевременно выявить приближающуюся или уже случившуюся поломку генератора можно по следующим симптомам:

Затрудненный запуск мотора. Если генератор работает не в штатном режиме, то нередко нарушается эффективность подзарядки аккумулятора. В результате он получает недостаточный либо избыточный заряд, в результате чего завести двигатель становится очень проблематично.
Тусклый либо мигающий свет. Если при езде в темное время суток становится заметно, что фары светят недостаточно ярко либо сила создаваемого ими света меняется в зависимости от уровня оборотов в двигателе, то это свидетельствует о том, что генератор не может обеспечить требуемого количества энергии и напряжения.
На приборной панели загорелся индикатор «Аккумулятор». Этот значок всегда подсвечивается перед запуском двигателя, после чего он должен погаснуть. Однако если он продолжает гореть и при работающем двигателе, то это свидетельствует о том, что батарея не заряжается должным образом.
Шумит ременной привод генератора. Многие автомобилисты слышали неприятный свист, идущий из двигателя, пока он еще не прогрелся. Он может свидетельствовать о слабом натяжении приводного ремня, который передает вращение от двигателя на ротор генератора. Эксплуатация автомобиля в таком режиме может привести у уменьшенной эффективности работы генератора.
Звон или неприятный свист от корпуса генератора. Такие посторонние звуки свидетельствуют об износе подшипников. В результате ротор может начать подклинивать.

Ветряк с аксиальным генератором на неодимовых магнитах

Наиболее сильными магнитами, обладающими оптимальными параметрами для использования в конструкции генератора, являются неодимовые магниты. Они несколько дороже обычных, но превосходят их многократно и дают возможность создать мощное устройство при относительно компактном размере.

Принципиального отличия в конструкции не имеется. Неодимовые магниты изготавливаются в различных формфакторах, позволяющих выбрать наиболее удобный для себя вариант — тонкие продолговатые брусочки, форма таблетки, цилиндры и т.д. если используется металлический ротор, то приклеивать магниты необязательно, они сами по себе с усилием прикрепляются к основанию. Остается лишь залить их эпоксидкой для защиты от коррозии.

Принцип работы электрогенератора

В основу работы агрегатов, преобразующих энергию, положен закон Фарадея об электродвижущей силе (ЭДС). Учёный открыл закон, который объяснил природу появления тока в металлическом контуре (рамке), вращающемуся в однородном магнитном поле (явление индукции). Ток возникает также при вращении постоянных магнитов вокруг металлического контура.

Простейшая схема генератора представляется в виде вращающейся металлической рамки между двумя разно полюсными магнитами. На оси рамки помещают токосъёмные кольца, которые получают заряд электрического тока и передают его дальше по проводникам.

В действительности статор (неподвижная часть прибора) состоит из электромагнитов, а ротором служит группа рамных проводников. Устройство представляет обратный электромотор. Электродвигатель поглощает электрический ток и заставляет вращаться ротор. Электрический генератор, преобразовывающий кинематическую энергию механического вращения в ЭДС, называют индукционным генератором.

Устройство синхронного генератора

Статор СГ по устройству схож с устройством статора асинхронного двигателя. Сердечник статора, в пазах которого размещается обмотка, собран из спрессованных в виде пакета пластин электротехнической стали толщиной 1-2 мм, разделенных изолирующей пленкой лака толщиной 0,08-0,1 мм.

Синхронный генератор может вырабатывать переменный ток однофазный или, чаще всего, трехфазный. К обмотке статора подключается нагрузка.

Конструктивно полюсы статора могут быть выступающими (как в тихоходных СГ со скоростью вращения не выше 1000 об/мин, вращаемых гидротурбинами), либо же не выражаться явно (как в скоростных машинах).

Синхронный генератор обратим – он может не только вырабатывать переменный ток (режим генератора), но и совершать механическую работу (режим двигателя).

Для охлаждения ротора в конструкции СГ предусмотрены крыльчатки на общем с ротором валу. Прежде чем поступить в СГ для охлаждения обмоток, воздух пропускается через фильтр, если же система охлаждения замкнута, он дополнительно охлаждается в теплообменнике. В качестве охлаждающего агента, помимо воздуха, применяется и водород ввиду своей легкости.

Концы обмоток СГ выводятся на контактную колодку, что позволяет соединить обмотки трехфазного СГ по схеме звезды или треугольника.

При необходимости получения синусоидального напряжения на выходе к форме явно выраженных полюсных наконечников предъявляются определенные требования, либо необходимо (при неявно выраженных полюсах) расположить витки роторной обмотки по особому закону.

Описание процесса самовозбуждения на принципе остаточной намагниченности магнитной цепи.

Современные работы по самовозбуждению АГ с помощью статических конденсаторов построены на трех подходах. Один из них базируется на принципе остаточной намагниченности магнитной цепи машины, начальная ЭДС от которой затем усиливается емкостным током в статоре . Рассмотрим этот подход.

Автономная работа асинхронного генератора в режиме самовозбуждения от потока остаточного намагничивания возможна, если к выводам обмотки статора подключить конденсаторы, необходимые как источник реактивной мощности от для возбуждения магнитного поля асинхронного электрогенератора, а при его работе на активно-индуктивную нагрузку эти конденсаторы должны служить источником реактивной мощности 0_Н и для нагрузки.

Как проверить автомобильный генератор

Хотя ремонтировать генератор должны специалисты, проверить его на работоспособность можно и самостоятельно. На старых автомобилях бывалые автомобилисты проверяли на работоспособность генератор следующим образом.

Запустить мотор, включить фары и на работающем двигателе отключается минусовая клемма АКБ. Когда генератор рабочий, то он вырабатывает электричество для всех потребителей, благодаря чему при отключенном аккумуляторе мотор не заглохнет. Если двигатель заглох, значит, что генератор необходимо отвезти на ремонт или заменить (зависит от типа поломки).

Но на новых автомобилях лучше таким методом не пользоваться. Причина в том, что современные генераторы для таких автомобилей рассчитываются на постоянную нагрузку, часть которой компенсируется за счет постоянной подзарядки батареи. Если ее отключить при работающем генераторе, это может вывести его из строя.

Самый безопасный для генератора способ проверки – при помощи мультиметра. Принцип проверки следующий:

На заглушенном двигателе замеряется напряжение на аккумуляторе. При исправной батарее этот параметр должен составлять 12.7 вольт.
Запускается мотор и выключаются все потребители (салонный вентилятор, фары, обогрев стекла и т.д.)
Еще раз подключаются щупы мультиметра к токоотводам аккумулятора. В зависимости от модели автомобиля напряжение на клеммах должно составлять 13.8-14.8 вольт.
Включаются потребители электричества – максимально все, что можно.
Повторно измеряется напряжение. Если генератор исправно работает, этот показатель просядет до 13.8-14 вольт. Показатель ниже этого – признак неисправности генератора.

Сборка и установка ветрогенератора

После завершения сборки ротора следует подготовить детали для неподвижной части конструкции – статора. Он состоит из катушек из медного провода. Его сечение должно быть большого диаметра, чтобы снизить сопротивление. Как правило, намотку таких катушек осуществляют на глаз. Чтобы зарядить батарею в 12В при 120-150 оборотах в минуту, нужно около полутора тысяч витков (суммарно для всех катушек). Наматывается провод на готовых частях будущей конструкции или самодельных макетах.

Статоры могут быть как круглые, так и прямоугольные. Всё зависит от параметров магнитов. Если форма прямоугольная, лучше, чтобы магнитное поле располагалось вдоль большей стороны. Толщина неподвижных элементов также должна соответствовать высоте магнитов. В таком случае вы получите наибольшую эффективность устройства.

Ветряк

Генератор собран – можно приступать к монтажу мачты и сборке винта. Для вышки главное, чтобы устройство на её вершине имело доступ к свободному потоку воздуха. Если она установлена среди застройки, высота должна минимум на 1 м превышать уровень близлежащих строений или деревьев. Для открытой площадки обычно достаточно 5 м. Также мачта должна соответствовать следующим критериям:

прочность;
удобство для монтажа и обслуживания генератора на высоте;
устойчивость, в т.ч. – к вибрации.

Винты для генератора лучше всего изготавливать крыльчатой формы – для максимального аэродинамического эффекта. Материал – ПВХ трубы диаметром от 4 мм или металл. Лопасти крепятся к двигателю с помощи металлической головки с приваренными пластинками по числу винтов. Оптимальное количество лопастей – от 3 до 6.

Внимание! Винты крепятся на расстоянии не меньше 25 см от генератора. Это мера безопасности

При сильном порыве они могут сломаться о корпус устройства.

Не стоит отчаиваться, если генератор в собранном виде не показал того результата, на который вы рассчитывали. Проверьте расчёты, доработайте и усовершенствуйте модель.

Основные сферы применения

Watch this video on YouTube

В зависимости от того, где используется электрогенератор, определяются его технические характеристики. Главным образом, отношения генератора к определенной категории по области применения, определяет его мощность. Разделяют следующие разновидности оборудования по сферам эксплуатации:

Бытовые. Обладают мощностью от 0,7 до 25 кВт. Обычно к этой категории относятся бензиновые и дизельные генераторы. Применяются для электроснабжения бытовых электроприборов и оборудования малой мощности, очень часто на строительных площадках. Сгодятся в качестве портативного источника электроэнергии при выезде на природу;
Профессиональные. Могут применяться в качестве постоянного источника электроэнергии в муниципальных учреждениях и мелких производственных предприятиях. Его мощность не превышает 100 кВт;
Промышленные. Могут эксплуатироваться на крупных фабриках и заводах, где требуется высокомощное оборудование. Такие аппараты обладают мощностью более 100 кВт, имеют немалые габариты и сложны в техническом обслуживании для неподготовленного человека.

Устройство, виды и принцип действия асинхронных электродвигателей

Как выбрать генератор для загородного дома или дачи, ТОП моделей

Трансформаторы тока: устройство, принцип действия и типы

Что такое частотный преобразователь, основные виды и какой принцип работы

Как устроен электрический аккумулятор, его принцип работы, виды, назначение и основные характеристики

Схема работы устройства плавного пуска, его назначение и конструкция

Как сделать генератор повышенной нагрузки?

Обратим внимание на микросхемы. Генераторы импульсов указанного типа подразумевают использование мощного индуктора

Дополнительно следует подбирать только аналоговый адаптер. В данном случае необходимо добиться высокой пропускной способности системы. Для этого конденсаторы применяются только емкостного типа. Как минимум отрицательное сопротивление они должны быть способны выдерживать на уровне 5 Ом.

Резисторы для устройства подходят самые разнообразные. Если выбирать их закрытого типа, то необходимо предусмотреть для них раздельный контакт. Если все же остановиться на полевых резисторах, то изменение фазы в данном случае будет происходить довольно долго. Тиристоры для таких устройств практически бесполезны.

Основные неисправности

Устройство довольно надежное и должно работать продолжительное время, но некоторые компоненты могут выходить из строя по разным причинам. Неисправности могут иметь механический или электрический характер.

Механические неисправности

Главной возможной поломкой может быть обрыв приводного ремня. В этом случае вращение от коленвала на ротор не будет передаваться. Всю нагрузку на себя берет аккумулятор, который начнет разряжаться. Это покажет контрольная лампа в салоне автомобиля. Чтобы избежать обрыва ремня, нужно периодически проверять его состояние и натяжение.

Также может случиться простой износ графитовых щеток. В этом случае надо менять весь щеточный узел.

Электрические неисправности

Неполадки с электрикой в генераторе случаются нередко, и заметить их трудно. Может возникнуть замыкание в обмотках возбуждения ротора или статора, обрыв обмотки. Может выйти из строя регулятор напряжения, что чревато большими проблемами для всей электроники и АКБ. Также случается так называемый пробой диодного моста по различным причинам. Нельзя отключать генератор или АКБ во время работы двигателя. Также нужно следить за надежностью соединений, чистить клеммы и т.д.

Каждому водителю нужно знать устройство и принцип работы автомобильного генератора. Это поможет избежать многих проблем, которые могут возникнуть с устройством. Нужно регулярно следить за компонентами генератора. Проверять натяжение и состояние приводного ремня, крепление устройства, напряжение и другое. При правильной эксплуатации устройство прослужит исправно долгие годы.

Конструкция

Стоит подробнее рассмотреть, из чего состоит генератор, встроенный в автомобиль

Далее представлены основные детали конструкции столь важного в машине устройства

Статор

Статор генератора — это деталь, изготовленная из стали, толщина которой не превышает 10-11 мм. Добиваясь экономии металла, разработчики современного генератора изготовили данную деталь из отдельных элементов и придали ей форму подковы. Все листы конструкции скреплены между собой сварочным или заклепочным методами. В статоре более 30 пазов, предусмотренных для крепления обмотки. Изоляция статора обеспечивается специальным покрытием из эпоксидного компаунда или пленки.

Ротор

Система полюсов ротора отличается от системы в стандартных агрегатах. В ней две половины, каждый из которых имеет отдельный выступ, по форме напоминающий клюв. На каждом выступе — по шесть полюсов, напрессованных на вал.

Втулка устанавливается между полюсами, а обмотка закрепляется на ней. Вращающийся вал ротора изготавливают из стали низкой твердости, но это не мешает ему быть прочным и эффективно справляться с поставленной задачей. На конце вала резьба, а также шпоночный паз, фиксирующий шкив.

Узел выпрямления

Главным отличительным элементом современных автогенераторов переменного тока является узел выпрямления. Существует два типа используемых узлов:

Пластины, отводящие тепло. В них установлены силовые диоды, выпрямляющие ток.
Элементы со специальными ребрами для охлаждения. На них также установлены диоды, но они таблеточные.

Дополнительно к классификации можно отнести вспомогательный выпрямитель. В нем диоды содержатся в пластиковом корпусе, имеющем цилиндрическую форму. К схеме такой корпус подключают специальными шинами.

Регулятор напряжения

Данная деталь способствует поддержке необходимого напряжения внутри автогенератора. Благодаря этому достигается нормальная работа электрических систем, датчиков и других элементов, находящихся в системе транспортного средства.

Основа регуляторов напряжения — полупроводниковый элемент. Конструктивное исполнение подобных деталей может быть различным, но у всех одинаковая задача и один и тот же принцип действия.

Главное свойство регулятора — термокомпенсация. Оно представляет собой способность элемента менять показатель напряжения, поднимая или опуская его, если в процессе работы генератора были обнаружены изменения температуры за пределами рабочего пространства. Подобные махинации позволяют улучшить зарядку аккумулятора и снизить потребление ресурса.

Можно ли восстановить щётки?

В экстренных ситуациях, когда на помощь рассчитывать не приходится, можно воспользоваться советами мастеров по аварийному восстановлению щеточного узла. Однако в полной мере обеспечить надежное функционирование щеточного узла можно только с использованием качественных запчастей, рекомендуемых производителями. Восстановление – всегда временное решение; как только появляется возможность, нужно ехать в сервис.

Процедура замены щеток, несмотря на кажущуюся простоту, требует определенных навыков и специальных знаний. Поэтому лучше поехать в автосервис, где диагностику и техобслуживание электрооборудования вашего автомобиля выполнят быстро и с гарантией качества.

КПД генератора переменного тока

КПД генератора представляет собой отношение мощности, которая подается на какое-либо устройство, к мощности на выходе. Потери неизбежны для всех процессов, при которых механическая энергия преобразуется в электрическую. Потери в генераторе с клювообразными полюсами классифицируются следующим образом (рис. «Распределение потерь генератора, рассчитанного на ток 220 А).

Потери в генераторе с клювообразными полюсами

Потери в меди обмоток статора и ротора

Омические потери в обмотках статора и обмотке ротора называются потерями в меди. Они пропорциональны квадрату тока.

Потери в железе в пластинчатом сердечнике статора

Потери в железе — результат гистерезиса и вихревых токов, наводимых переменными магнитными полями в железе статора и ротора.

Потери вихревых токов на поверхности клювообразных полюсов

Потери вихревых токов на поверхности клювообразных полюсов вызваны колебаниями магнитного потока из-за наличия пазов в статоре.

Потери в выпрямителе генератора

Потери в выпрямителе вызываются падением напряжения на диодах. Их можно уменьшить и, соответственно, поднять КПД путем использования полупроводников с меньшим падением напряжения — например, высокоэффективных диодов (HED).

Механические потери генератора

Механические потери включают трение, возникающее в роликовых подшипниках и контактных кольцах, аэродинамическое трение в вентиляторе. Прежде всего, имеются потери мощности (необходимой для приведения в действие самого вентилятора) которые увеличиваются с повышением частоты вращения.

К ним относятся и аэродинамические потери, вызванные вентилятором и клювообразными полюсами.

В обычном режиме эксплуатации генератор работает в диапазоне частичной нагрузки. В этом случае КПД на средних оборотах составит 70-80 %. Использование более крупного (и более тяжелого) генератора позволяет ему работать в более благоприятном диапазоне частичной нагрузки при той же электрической нагрузке. Увеличение КПД, обеспечиваемое более крупным генератором, с избытком компенсирует потери в экономии топлива, связанные с большей массой. Однако следует учитывать более высокий момент инерции в ременном приводе.

Фазы — что лучше — три или одна?

Многие любители электрической техники идут по пути наименьшего сопротивления и, чтобы не заморачиваться, останавливают свой выбор на однофазном статоре для ветряка. Однако у него имеется одна неприятная особенность, нивелирующая простоту сборки, — это вибрация в нагруженном состоянии, по причине непостоянства отдачи тока. Ведь амплитуда такого статора скачкообразна, — достигая максимума, когда неодимовые магниты располагаются над катушками, а после падая до минимума.

А вот, когда генератор сделан по трехфазной системе, то вибрации отсутствуют, и показатель мощности ветряка имеет постоянное значение. Причина такого отличия заключается в том, что ток, падая в одной фазе, в то же время нарастает в другой. И в итоге, ветрогенератор, работающий в трехфазной системе, может быть более эффективным до 50 %, чем точно такой же, но использующий однофазную систему. И главное, — нагруженный трехфазный генератор не дает вибрации, следовательно, мачта не дает повода для жалоб на ветрогенератор в надзирающие органы недоброжелателям из числа соседей, поскольку не создает надоедливого гула.