Устройство и принцип действия генераторов переменного тока

Схемы подключения

Существуют две основные схемы подключения внутренней обмотки. Каждая со своими особенностями.

1. Звезда. Данное подключение подразумевает соединение 3 выходов обмоток в единую точку. Эта точка называется «нуль». Проводники, подключенные к каждому началу обмотки, являются линейными и поставляют ток непосредственно потребителю. Четвертый проводник считается нулем. Такое подключение очень сильно повышает устойчивость сети к сдвигу фаз, во время возникновения разности несимметричных нагрузок.
2. Треугольник. Схема треугольник отличается от звезды. Она предполагает последовательный контакт всех обмоток. Первая обмотка соединяется своим концом с началом второй, а конец второй с началом третьей. Конец третьей и начало первой обмотки соединяют между собой. От каждой точки соединения отводятся линейные проводники. Такая схема подразумевает баланс между фазным и линейным напряжениями. Данная схема очень восприимчива к разности нагрузок на каждой фазе. При появлении разности требуется составление векторной диаграммы и пересчет всех параметров.

Каждая схема подключения также предполагает одинаковое сечение проводов. В случае возникновения большой нагрузки на одной фазе, ее провод может выгореть, что приведет к появлению несимметричности цепи, а по нейтрали, в этом случае, потечет ток.

Тестирование снятого регулятора (со схемой)

Электронное реле чаще всего крепится на поверхности генератора рядом с валом генератора, по которому двигаются щетки, в районе контактных колец якоря генератора. Весь совмещенный узел закрыт пластиковой крышкой. Снимается она отверткой форма, которой может быть либо крестовидной, либо шестигранник.

Этапы проведения работ:

1. Откручиваем два болта крепления и снимаем крышку.
2. Достаем щеточный узел.
3. Чистим его от графитовой пыли.
4. Собираем схему с использованием блока питания, зарядкой или вольтметром. Находим простую лампу на 12В от машины, можно с «габаритов» и провода, чтобы соединить всю схему в одно целое. Используем АКБ, если зарядное без него не работает. Уже от него провод присоединяем к регулятору, а к щеткам подключаем лампу при помощи «крокодильчиков». Когда все подключено правильно лампа начнет светиться, потому что щеточный узел служит проводником электричества от вала.
5. Поднимаем напряжение на зарядке до 14,5В свет должен потухнуть, так как такое напряжение, как «отсечка» дальнейшего повышения напряжения. Снизив напряжение на зарядном устройстве, лампа должна вновь загореться. Если напряжение поднялось до 15–16В, а лампа горит, значит, реле негодно.

Схема проверки реле-регулятора

По тому же принципу можно проверить отдельный тип регулятора нового образца. Для этого необходимо отсоединить его от кузова или крышки генератора и прикрепить к схеме. Проверку осуществлять таким же образом. Что касается старого типа реле-регулятора, установленного на копейках, то проверять его нужно немного по-другому. Их маркировка – «67» и «15». Первый контакт «67» — является минусом, а «15» — плюсом. В остальном принцип тот же.

В этой статье мы побеседуем о том, как проверить генератор

на работоспособность, не прибегая к помощи профессионалов. Но до этого давайте разберемся в симптомах его вероятных дефектов.

Устройство и конструкция генератора переменного тока

Стандартный электрогенератор имеет следующие компоненты:

• Раму, к которой закреплен статор с электромагнитными полюсами. Изготовлена она из металла и должна выполнять защитную функцию всех элементов механизма.
• Статор, к которому крепится обмотка. Изготавливается он из ферромагнитной стали.
• Ротор – подвижный элемент, на сердечнике которого располагается обмотка, образующая электрический ток.
• Узел коммутации, который отводит электричество с ротора. Представляет собой систему подвижных токопроводящих колец.

В зависимости от назначения, генератор имеет определенные особенности конструкции, но существуют два компонента, которыми обладает любое устройство, конвертирующее механическую энергию в электричество:

1. Ротор – подвижная цельная деталь из железа;
2. Статор – неподвижный элемент, который изготовлен из железных листов. Внутри него есть пазы, внутри которых располагается проволочная обмотка.

Для получения большей магнитной индукции, между этими элементами должно быть небольшое расстояние. По своей конструкции генераторы бывают:

• С подвижным якорем и статическим магнитным полем.
• С неподвижным якорем и вращающимся магнитным полем.

В настоящее время более распространено оборудование с вращающимися магнитными полями, т.к. значительно удобнее снимать электрический ток со статора, чем с ротора. Устройство генератора имеет немало сходств с конструкцией электродвигателя.

Принцип работы

Рассмотрим принцип генерации тока на примере контурной рамки, помещённой между магнитными полюсами. (Рис. 3)

Рис. 3. Схема, объясняющая принцип работы генератора

Если заставить рамку вращаться (по направлению стрелок), то она будет пересекать магнитные силовые линии. При этом, по закону электромагнитной индукции, в рамке индуцируется электрический ток, который проявляется при подключении нагрузки к щёткам. Его направление можно определить по правилу буравчика. На схеме направление тока показано чёрными стрелками.

Обратите внимание на то, что на участках рамки ab и cd ток движется в противоположных направлениях. Эти направления меняются при переходе участков рамки от одного полюса к другому полюсу магнита

Если каждый вывод рамки подключить к отдельному кольцу (на рисунке они подключены к коллектору!), то на выходе мы получим переменный ток.

Частота тока в электросетях строго соблюдается. В России и в ряде других стран она составляет 50 Гц, то есть 50 колебаний в секунду.

Этот параметр довольно легко вычислить из таких соображений: за один оборот рамки (или двухполюсного магнита) происходит одно изменение направления тока. Если вал синхронного генератора делает 1 оборот в секунду, то частота переменного тока составит 1 Гц. Для получения частоты 50 Гц необходимо обеспечить 50 оборотов статора в секунду или 3000 об./мин.

При возрастании числа полюсов заданная частота удерживается путём снижения скорости вращения статора. (обратно пропорциональная зависимость). Так, для четерёхполюсного статора (число полюсов в два раза больше) для поддержания частоты 50 Гц скорость вращения вала необходимо снизить в два раза. Соответственно если используется 6 полюсов, то частота вращения вала должна уменьшиться в три раза – до 1000 об./мин.

Заметим, что в некоторых странах, таких как США, Япония и др. существуют другие стандарты – 60 Гц, а переменный 400 Гц используется, например, в бортовой сети современных самолётов.

Область применения

Применяют синхронные агрегаты как источники электроэнергии переменного тока: используют на мощных тепло-, гидро- и атомных станциях, на передвижных электрических станциях, транспортных системах (машинах, самолетах, тепловозах). Синхронный агрегат способен работать автономно – генератором, который питает подключаемую к ней какую-либо нагрузку, либо параллельно с сетью — в нее подключены иные генераторы.

Синхронный агрегат может включать устройства в тех местах, где нет центрального питания электрических сетей. Данные приборы можно применять в фермерских хозяйствах, которые расположены далеко от населенных пунктов.

Выбор генератора

При выборе генератора нужно начать с определения необходимой мощности. Этот вопрос не так прост, как кажется, поскольку потребители в цепях переменного тока имеют как активное (омическое) сопротивление, так и реактивное (емкостное и индуктивное), а также зачастую до выхода на рабочий режим имеют энергопотребление значительно больше номинального.

Простейший пример: нам нужен переносной генератор, от которого мы запитаем перфоратор мощностью 800 Вт. Его электродвигатель имеет значительную индуктивную составляющую сопротивления, которая при расчете энергопотребления описывается так называемым коэффициентом мощности, обозначаемым как cosφ. Если для нагрузки, не обладающей реактивным сопротивлением, он равен единице, то с ростом емкости либо индуктивности нагрузки растет. Кроме того, нельзя забывать и то, что сам генератор имеет значительную индуктивность.

Именно из-за индуктивного сопротивления обмоток генератора его мощность обозначается не в ваттах, а в вольт-амперах при заданном коэффициенте мощности: например, бензогенератор мощностью 5 кВА при собственном cosφ=0,8 реально имеет максимальную мощность 4 кВт.

Таким образом, при необходимости запитать 800-ваттный электродвигатель с собственным cosφ=0,5 нам потребуется генератор, способный длительно отдавать мощность 1600 Вт, то есть его пиковая мощность, обозначаемая в характеристиках, должна быть в полтора-два раза больше. С учетом же потерь в самом генераторе для нашего перфоратора придется приобрести бензогенератор на 4 кВА.

В то же время, если нам нужно будет запитать от этого же генератора освещение и электрообогреватель (потребители, не имеющие реактивного сопротивления), их суммарная мощность сможет быть в два раза больше при той же нагрузке на сам генератор.

Далее определимся со временем работы генератора. Как уже говорилось, для длительной работы предпочтительнее дизельный силовой агрегат — поэтому рассматривая агрегат для постоянного обеспечения энергией здания (частного дома или небольшого цеха), стоит рассмотреть этот вариант, особенно с учетом вышеописанного расчета требуемой мощности генератора — бензиновый агрегат окажется слишком прожорливым. Поскольку постоянный контроль над длительно работающим генератором осуществлять будет невозможно, он обязательно должен оснащаться защитным устройством, глушащим двигатель при падении уровня моторного масла либо его давления.

В ряде случаев (необходимость частой транспортировки, особенно ручной) меньшая масса бензогенератора может оказаться более важным фактором, чем экономичность дизельного. Также бензиновый агрегат является более предпочтительным вариантом для кратковременной эксплуатации — в этом случае экономичность и ресурс играют значительно меньшую роль, чем цена самой установки.

Для аварийного снабжения дома электроэнергией стоит рассмотреть вариант подключения к газовой сети генератора, рассчитанного на использование природного газа.

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:

1. Пластины, отводящие тепло. В них установлены силовые диоды, выпрямляющие ток.
2. 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.

Классификация генераторов

Существует несколько признаков, на основании которых электрический генератор можно отнести к одной из разновидностей:

• Сфера применения.
• Режимы работы.
• Фазность.
• Автономность.

Эксплуатация По каждому из признаков надо изучить модель заранее, тогда и выбор проще будет сделать.

Автономность

Полная независимость от централизованных источников энергии — одно из главных преимуществ, которыми обладают современные генераторы. В зависимости от этого показателя, модели делятся на мобильные либо стационарные.

Стационарные

Речь идёт о генераторных станциях, в основе работы которых — дизельные двигатели. Подходят для снабжения электрической энергии потребителей, удалённых от других подобных объектов. Обеспечивают снабжение током на тех территориях, где даже малейшая остановка производственных процессов приведёт к серьёзным негативным последствиям.

Мобильные

Чаще всего эти агрегаты — самые компактные. Допускают перемещение в пространстве установки. У передвижных станций сфера применения довольно широка:

1. Электросварка.
2. Местное освещение.
3. Снабжение током бытовых электроприборов, и так далее.

Обслуживание и ремонт Внутри оборудования размещают двигатель внутреннего сгорания, который способен работать на дизельном топливе либо бензине. Агрегаты отличаются друг от друга по габаритам. Одного человека хватает, чтобы перемещать только самые маленькие устройства. Но есть мобильные варианты, монтаж которых проводят на автомобильных прицепах.

Фазность

Агрегаты разделяют на трёх- и однофазные в зависимости от внутренней структуры устройств.

Однофазные

Отличаются способностью производить однофазный ток. Питание бытовых приборов — главное назначение устройств. Обычно аппараты выпускают мобильными, чтобы с ними было проще обращаться. Частные домовладения — объекты, внутри которых однофазные агрегаты можно встретить чаще всего. Например — для удовлетворения различных нужд на бытовом уровне.

Трёхфазные

Питание силового электрооборудования — вот в чём состоит основная функция. Иногда происходит разделение такой энергии по нескольким фазам. Для питания электропроводки это очень удобное решение, позволяющее развести линию на несколько частей.

Интересно! Главное — чтобы мощность потребления у всех линий оставалась примерно одинаковой. Генератор быстро выходит из строя, если между значениями образуется серьёзная разница.

Режимы работы

Основные и резервные — две главные разновидности режимов работы согласно этой классификации.

Основные

Такие аппараты созданы, чтобы работать на постоянной основе. Группу промышленных установок представляют мощные электрогенераторы, снабжённые дизельными двигателями. Актуальны для объектов, которым наличие электрической энергии требуется постоянно.

Резервные

По названию легко понять, что такие электрические генераторы применяются лишь в некоторых, исключительно крайних случаях. Например, если централизованное электроснабжение отключают на некоторое время. Такие приборы могут включаться, если срабатывает реле, реагирующее на уменьшение напряжения. Беспрерывная работа допустима только на протяжении нескольких часов.

Сфера применения

Генераторы выпускают с расчётом на два основных направления — бытовые условия либо промышленные объекты.

В быту

Выбор бытовых генераторов на современном рынке порадует любого потребителя, вне зависимости от масштабов и запросов. Обычно выбирают однофазные установки, способные наладить бесперебойное снабжение электрическим током при аварийных ситуациях. Питание выносного электрооборудования — ещё одна сфера применения. Качество тока становится особенно важным показателем, если речь идёт о бытовых электроприборах, применяющих цифровую элементную базу. В этом случае энергия должна обладать такими параметрами: 220 В, 1 А, 50 Ггц.

Вам это будет интересно Особенности единицы измерения мощности вольт-ампер

На даче

При электросварочных работах применяют установки, обладающие повышенной мощностью. Преимущество в том, что для формирования электромеханической дуги вырабатывается ток с серьёзной силой.

Обратите внимание! Если в инструкции не описано сразу применение для электросварки, то стоит отказаться от подобной идеи. Иначе генераторы быстро портятся

Промышленные объекты

Чаще речь идёт о независимых мощных стационарных установках. Они актуальны для промышленных предприятий и целых жилых районов, больниц, общественных учреждений с высокой проходимостью. Тогда такие механические приспособления актуальны.

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.