Устройство и принцип работы генератора переменного тока

Мироздание дало нам множество способов получить электричество, и на каждом этапе развития человечества методики свои. Допустим, многие исторически первым считают генератор постоянного заряда Ван де Граафа. Но это в корне неверно. До него люди пользовались и другими разновидностями. Мы сегодня рассмотрим устройство и принцип работы генератора переменного тока. Приступим.

Как работают генераторы электрического тока

Принцип основан на том, чтобы создать потенциал относительно Земли, которая считается нулём. Это не совсем правильно, но все в мире относительно. Посему, хотя земная поверхность и несёт на себе заряд, в нашем случае играет роль разница потенциалов между клеммами генератора и почвой. Ввиду того, что любой стоящий на грунте обволакивается полем нашей планеты, можно считать, что это и верно. В исходном случае изобретён был генератор постоянного тока. Даже скорее напряжения. Дело в том, что вольтаж получался приличный, а тока генератор почти не давал. Принцип действия до предела прост:

Принцип работы генератора

Принцип работы генератора

  1. Лента трётся, за счёт чего локально получается заряд.
  2. Путём конвейерного механизма участок добирается до токоснимателя.
  3. За счёт проводимости клеммы в виде большого шара плотность уравнивается.

В результате сфера приобретает заряд, по плотности равный локальному на ленте. Понятно, что такие генераторы были не слишком удобны, поэтому примерно в 1831 году Майкл Фарадей создаёт нечто новое. При помощи намагниченной лошадиной подковы и вращающегося медного диска он смог получить электричество принципиально по-иному: за счёт явления магнитной индукции. Но ток при этом получался уже переменный. Следовательно, поле стало уже не статическим, а электромагнитным. Поясним:

  • В природе часто встречаются заряды электричества положительного или отрицательного знака, но никто до сих пор не смог получить отдельно полюса магнита.
  • В точности, так же не бывает переменного электрического поля, чтобы он не вызвало соответствующий отклик в эфире. Он заключается в продуцировании переменной магнитной составляющей в плоскости перпендикулярной исходной.

Такой процесс продолжается беспрерывно и называется электромагнитной волной. Она движется в свободном пространстве по прямой, пока вся энергия не затухнет. Что касается проводов, то по ним электричество распространяется сравнительно просто. Но! Пока у кабеля имеется оплётка. А если экрана нет, либо зануление (заземление) отсутствует, то волна начинает излучаться. На этой основе работают беспроводные отвёртки индикаторы, они помогают установить (локализовать) источники помех промышленной частоты 50 Гц. И если системный блок компьютера ещё не заземлён, то при помощи такой вещички можно легко исправить недочёт.

Кроме того это помогает проверить вредоносное излучение дисплеев. В общем и целом нужно понять, что частота 50 Гц легко излучается проводами. И это не только увеличивает расходы электростанций (в смысле потерь), но и вредит здоровью граждан. Как возникает энергия в генераторе Фарадея? Об этом говорили ещё в школе: при вращении рамке в поле магнита индукция через площадь меняется за счёт чего наводится электрический ток.

В общем и целом механическая энергия движения преобразуется в электрическую. Вы, наверное, уже догадались, что по большей части это:

  1. Падение с плотины вниз масс воды.
  2. Энергия пара на тепловых и атомных электростанциях.

Вот по большой части два механизма получения энергии. В обоих случаев в электричество преобразуется движение лопасти турбины генератора. Имеются в природе ещё и устройства, где сжигается дизельное топливо или керосин, но принцип их действия мало чем отличается. Разница только в мобильности и скорости вращения лопасти.

Кто вырабатывает электрическую энергию для городов

Сейчас мы посмотрим, как устроен генератор тока на ГЭС. Для накопления потенциальной энергии движущейся в русле реки воды воздвигается плотина. За счёт этого уровень вверх по течению быстро начинает подниматься. Чтобы не произошло прорыва (любого типа), часть многотонной массы стравливается (вроде бы кое-где даже имеются специальные шлюзы для пропуска рыбы на нерест). Полезная же часть течения проходит сквозь так называемый направляющий аппарат. Те, кто знаком с устройством реактивных двигателей, должны примерно понимать, о чем идёт речь. Направляющим аппаратом называется система створок, изменением положения которых регулируется количество проходящей среды. В данном случае воды.

Читайте также:  Прокладка кабеля по стене в гофрированной трубе

Мы говорили в своих обзорах, что имеются жёсткие требования на частоту вырабатываемого электричества. Учёные просчитали, что этого можно достичь при современном уровне развития, применяя только очень массивные лопасти, на которых никак не сказываются мелкие удары волн. То есть учитывается только общая средняя масса проходящей воды, а мелкие скачки скрадываются большой массой винта. Очевидно, что при таких габаритах скорость вращения не может составлять 50 Гц (3000 об/мин). На самом деле лопасть делает примерно 1-2 об/мин.

Линии электропередач

Линии электропередач

Винт приводит в движение ротор генератора. Это движущаяся ось, на которую насажены так называемые обмотки возбуждения. Это катушки, сквозь которые пропускается постоянный ток для создания устойчивого магнитного поля. Излучения у этом случае не происходит, потому что значение напряжённости постоянное (см. выше). На самом деле имеют место мелкие флуктуации, но это не отражается на сути процесса: у нас на валу образуется несколько вращающихся магнитов.

Теперь возникает один тонкий момент: как нам получить частоту 50 Гц? Быстро пришли к выводу, что выпрямлять переменный ток, а после этого ставить инвертор для обратного преобразования невыгодно. Вместо этого вдоль статора расположили множество катушек из проволоки (рамка из опытов Фарадея), в которых будет наводиться индукция. Путём правильной коммутации с генератора удаётся снять нужные 220 В с частотой 50 Гц. Строго говоря, генераторы дают даже три фазы, сдвинутые на 120 градусов. И возникает новый вопрос – как обеспечить стабильность? Подавать одно и то же количество воды, пока лопасть не наберёт нужную скорость? Это практически невозможно, вместо этого делают так:

  1. Помимо токосъёмных катушек на статоре изготавливаются также и возбуждающие.
  2. Туда подаётся напряжение такой частоты, чтобы лопасть набрала нужную скорость.
  3. Получается фактически громадный синхронный двигатель.

Начальный разгон набирается за счёт потока воды (к примеру), а вспомогательное напряжение чуть придерживает винт, когда он пытается превысить заданную скорость. При этом вода фактически толкает всю эту махину, а напряжение возбуждения служит для регуляции (понятно, что на статор подаётся именно переменный ток). Если требуется получить больше мощности, то направляющий аппарат плотины чуть приоткрывается. За счёт этого масса воды становится более солидной, и она обязательно сорвала бы обороты. Поэтому в данном случае увеличивают ток возбуждения на статоре, контролирующее поле становится сильнее, и все остаётся в нормальных пределах.

Генератор в работе

Генератор в работе

А мощность генератора при этом возрастает. Но что же с напряжением. Как поддерживается его уровень? По закону для электромагнитной ЭДС Фарадея напряжение зависит от скорости изменения магнитного поля, а также числа витков. Получается, что, конструктивно выбирая площадь катушек и длину кабеля, мы уже задаём выходное напряжение генератора. Разумеется, каждый из них должен ещё и иметь свою скорость вращения лопасти. А она выдерживается током возбуждения ротора, как мы уже сказали. Но при возрастании мощности увеличивается именно ЭДС. Дело в том, что рост тока возбуждения повышает скорость изменения магнитной напряжённости поля.

Читайте также:  Как прозвонить электродвигатель мультиметром

В результате нужен способ для поддержания прежних параметров. Им зачастую являются развязывающие трансформаторы с переменным коэффициентом передачи. То есть у потребителя меняется только ток, а напряжение остаётся постоянным. Так обеспечиваются заданные стандартами параметры. Итак, устройство генератора переменного тока основано на возбуждении обмоток статора, а все остальное сводится к методикам регуляции параметров.

Как регулируются параметры генераторов переменного тока

В простейшем случае мощность не поддаётся изменению. В бытовых (и мелких генераторах) схема отслеживает напряжение и в случае чего меняется значение тока возбуждения. Понятно, что это не всегда на руку потребителю. В особенности, когда расходуется солярка. Получается, что тратится прежняя энергия, но в силу каких-то причин часть её рассеивается в пространство. Это не так страшно, когда мы возвращаем Земле часть скорости реки, но жечь своё топливо вот таким образом не каждый захочет.

Читатели уже поняли, что могут и сорваться обороты в этом случае, если не уменьшить подачу воды, газа, пара – в общем, движущей силы. А это отдельная цепь регуляции со всеми её механизмами. Для частного дома более эффективно будет создать систему с аккумуляторами, тем более, что сегодня имеется возможность от 12 В постоянного тока питать освещение, ноутбуки и многие другие приборы. В этом случае сеть можно соорудить с отводом для периодического заряда наших батарей. А методик, как мы помним две:

Простая схема работы генератора

Простая схема работы генератора

  1. С постоянным током. Напряжение варьируется таким образом, чтобы за каждый час заряжалась примерно одна десятая ёмкости. Длительность всего процесса – 600 минут.
  2. С постоянным напряжением. В этом случае ток будет падать по экспоненте и вначале составит сравнительно большие величины. Это и есть главный недостаток методики.

В этом случае принцип действия генератора переменного тока позволит вести подзарядку аккумуляторов по мере необходимости. Понятно, что потребуется цепь гальванической развязки перед каскадом батарей, но это уже совсем другая история. Как можно было уже догадаться из прочитанного, на ГЭС применяются именно устройства с подстраиваемым коэффициентом трансформации. А методики реализации этой затеи могут быть разными:

  1. Широкое распространение получили трансформаторы с коммутируемыми обмотками. В них число витков может меняться путём переключения контакторами цепей.
  2. Более плавный коэффициент обеспечивает скользящий контакт. Здесь витки одной из катушек зачищены, и токосъёмник бегает взад и вперёд, меняя число рабочих витков. Понятно, что большой ток в этом случае пропустить сложно, потому что будет возникать искра, которая в случае ГЭС обратится в дугу. Это скорее устройство регулирования для сравнительно малых мощностей.

Из сказанного следует, что ток возбуждения ротора на ГЭС логично менять скачками в такт переключению обмоток регулирующего трансформатора. Затем следует плавная подстройка, пока параметры напряжения не придут в норму. Мы рассказали в общих чертах, как работает генератор переменного тока. Стоит отметить, что этой конструкцией многообразие не исчерпано. Данный вид устройств составляет костяк семейства под названием синхронные генераторы переменного тока. Именно такие обеспечивают нас, по большей части, энергией.

Асинхронный генератор переменного тока

Асинхронные генераторы отличаются отсутствием электрической связи между статором и ротором. За счёт этого скорость прямо регулируется направляющим аппаратом. Сообразно этому стабильность частоты падает, амплитуда напряжения также носит непостоянный характер. В результате можно отметить относительную простоту конструкции асинхронного генератора переменного тока, тогда как стабильность параметров явно не отличается хорошими показателями.

Отличительной чертой также является то, что все недостатка асинхронных двигателей плавно перекочёвывают и сюда. Очевидно, что для снабжения потребителей энергией регулируют именно частоту тока, а мощность при этом получается случайной. Хотя если генератор находится в относительно постоянном окружении, то это не будет большой проблемой.