Изучаем генераторы постоянного и переменного тока

Работа электронного оборудования, бытовых электрических сетей и автомобилей прямо зависит от генераторов. Статья подробно раскроет тему, что такое генераторы постоянного и переменного тока. Будет описан каждый тип этих устройств, разновидности, принцип работы.

Принцип работы

Простейший генератор переменного тока состоит из следующих частей:

1. 2 постоянных разнополюсных магнита.
2. Рамки из медной проволоки.
3. Контактных колец, с которых снимается полученное напряжение.

Работает простой альтернатор по следующему принципу:

1. Постоянные магниты создают магнитное поле.
2. При вращении медной рамки, эти поля пересекаются самой рамкой.
3. При пересечении полей, на рамке образуется электричество.
4. При отсутствии пересечения, напряжение пропадает.

Рамка, осуществляя одно полное вращение, дважды пересекает магнитное поле. Таким образом направленность ЭДС меняется на противоположную. Смена направленности ЭДС приводит к возникновению синусоидального или переменного тока.

В таком эксперименте прослеживается не только смена направленности ЭДС, но и полная потеря электрического напряжения. Для того чтобы этот эффект сошел на нет, генератор переменного тока оснащается приводом. Привод используется для постоянного вращения якоря генератора, с целью минимизации потери напряжения и поддержания его на заданном уровне. Генераторы приводятся в действие несколькими способами. Это может быть двигатель внутреннего сгорания, передаточное вращение от энергии воды, пара, сжигания нефти или газа, энергия ветра.

Генераторы переменного тока

Генераторы переменного тока устроены и работают по принципу простейшего экспериментального альтернатора. Эти устройства состоят из следующих элементов:

1. Ротор. Представляет собой металлический сердечник, надетый на основной вал генератора. Ротор может быть оснащен обмоточным проводом или не иметь его. Все зависит от типа устройства. Ротор подвижная часть устройства. Приводится в движение за счет приводного механизма (двигателя, турбины, лопастей).
2. Статор. Неподвижная часть, которая так же оснащена медной обмоткой. Обмотка помещена в специально прорезанные пазы, имеет изоляцию между металлическим корпусом и самим проводом.
3. Контактные кольца с щетками или коллектором. Эти элементы используются для подачи постоянного напряжения к обмоткам для их первоначального возбуждения. Также коллектор используется в качестве выпрямителя. Он предотвращает смену направленности.

Работает такой генератор по следующему принципу:

1. Ток возбуждения поступает на обмотку статора, который является постоянным магнитом. Далее происходит образование магнитного поля.
2. Вращающийся ротор с обмоткой также становится постоянным магнитом. Из-за этого создается ЭДС между статором и ротором.
3. Во время вращения происходит пересечение магнитного поля, за счет чего образуется переменный ток.
4. Ток поступает через коммутационный щеточный узел в подключенную цепь.

Генераторы переменного тока имеют множество разновидностей. Они отличаются по:

1. Классификации. Могут быть синхронными и асинхронными. Синхронные зависимы от частоты вращения и частоты переменного ЭДС. Такие генераторы легко определить визуально. Их подвижный ротор имеет обмотку. Асинхронные не имеют обмотки на роторе. Они не зависят от частоты вращения, более устойчивы к изменению частоты оборотов и не подвержены быстрому нагреву во время коротких замыканий.
2. По способу возбуждения. Выделяются 4 основных типа: от постороннего источника питания; самовозбуждающиеся; от более мощного генератора, который работает совместно с основным; от постоянного магнита.
3. По количеству фаз. Различаются одно-, двух- и трехфазные модели. Самыми распространенными являются трехфазные типы устройств.
4. По способу соединения обмотки статора. Основных схем существует 2 — это треугольник и звезда. Отличаются эти две схемы способом соединения. Когда используется «звезда», то все концы обмоток соединены в одной точке. «Треугольник» — предусматривает последовательное соединение всех концов обмотки.
5. По конструкции. Генераторы переменного типа могут быть: с неподвижным статором или с неподвижным ротором.
6. По способу преобразования энергии.

Также генераторы могут отличаться по способу эксплуатации. Они бывают стационарными или переносными.

Преимущества

Преимущество генераторов переменного тока заключается в следующем:

1. Возможность получения электрического тока при использовании различных приводов. Таким образом есть возможность преобразования практически любого вида энергии в электрический ток.
2. Выработка тока даже при малых оборотах вала.
3. Отсутствие ограничителей, регуляторов и реле.
4. Токосъемное устройство значительно надежнее.
5. Высокий срок службы.
6. Низкие затраты на производство.
7. Подача переменного напряжения как в сложно разветвленные сети, так и к отдельным бытовым потребителям.

Достоинство генераторов переменного тока состоит еще и в том, что на их основе можно легко создать устройство для выработки постоянного тока.

Недостатки таких устройств следующие:

1. Зависимость от частоты вращения.
2. Подверженность нагреву обмотки в результате возникновения нагрузки.
3. Сложный ремонт и замена обмотки.
4. Потребность в выпрямителе тока.

Генераторы постоянного тока

Устройство генератора постоянного тока ничем не отличается от устройства, которое вырабатывает переменный ток. Первые генераторы постоянного тока отличались только наличием полуколец для отвода электрического тока. Принцип их работы заключался в том, что щеткой снималось напряжение только определенного полюса. Например, одна снимала только «+», а вторая только минус. Таким образом в цепь передавался постоянный ток. Главным недостатком таких устройств является высокая зависимость напряжения от частоты оборотов якоря. При снижении оборотов напряжение падает, а при увеличении стабилизируется на необходимом уровне. Но высокое число оборотов приводит к разбалансировке якоря, быстрой выработке самих щеток и удерживающих якорь подшипников.

Для получения постоянного тока с малым напряжением используются генераторы с выпрямителем или диодным мостом. Конструктивно этот механизм относится к генераторам асинхронного типа.

Принцип преобразования переменного тока в постоянный на примере автомобильного генератора постоянного тока:

1. Генератором вырабатывается переменный ток. При этом устройство имеет трехфазную обмотку, соединенную по схеме «звезда».
2. С каждой фазы ток поступает на один из 6 диодов, из которых состоит мост. За 1 период в преобразовании задействуется 2 диода для каждой фазы.
3. Смена потенциала тока на каждой фазе заставляет диоды пропускать ток только в определенном направлении.

Таким образом происходит сглаживание синусоиды. Через открытую сторону каждого диода проходит только ток положительного значения. На выходе с диодов снимается только положительное значение или «+». В схеме может присутствовать 6 или 8 диодов. Каждая пара диодов называется плечом. 8 полупроводников используются для схемы типа «звезда». Дополнительная пара подключается к нулевому контакту на статоре. Такие выпрямители более мощные. Они обеспечивают примерно на 15 % больше напряжения во время работы на холостом ходу.

Также существуют схемы, в которых может быть задействовано до 11 диодов. Такие генераторы получают питание регулятора и обмоток за счет дополнительных пар полупроводников.

В таких генераторах имеется электронное реле выпрямителя. Это устройство обеспечивает контроль выработанного напряжения, сглаживает скачки напряжения, предотвращает нагрев обмотки и возникновение нагрузок при коротких замыканиях.

Преимущества:

1. Отсутствие зависимости от перепада оборотов вала.
2. Выработка только постоянного напряжения.
3. Возможность регулировки выработанного напряжения.

Недостаток таких механизмов только в разбалансировке вала и стирании щеток при больших, неконтролируемых оборотах.

Различия

Далее необходимо будет разобраться, в чем основные отличия генераторов переменного и постоянного тока. Они заключаются в следующем:

1. Генератор постоянного тока оснащается полукольцом для изменения направленности тока.
2. Для получения постоянного напряжения может использоваться диодный мост.
3. Необходимость использования реле регулятора.
4. Также есть отличие при зависимости от частоты оборотов приводного механизма.

Например, автомобильный генератор не может заряжать аккумулятор при работе на холостом ходу. В этом режиме двигатель машины вращается с частотой 800 оборотов/мин. Таких оборотов не хватает, чтобы выработать зарядный ток достаточной мощности.

1. Генератор постоянного тока оснащается полукольцом для изменения направленности тока.
2. Для получения постоянного напряжения может использоваться диодный мост.
3. Необходимость использования реле регулятора.
4. Также есть отличие при зависимости от частоты оборотов приводного механизма.Например, автомобильный генератор не может заряжать аккумулятор при работе на холостом ходу. В этом режиме двигатель машины вращается с частотой 800 оборотов/мин. Таких оборотов не хватает, чтобы выработать зарядный ток достаточной мощности.
5.  Использование соединения типа «треугольник» не используется в генераторах постоянного напряжения. Причина кроется в том, что происходит скачкообразное изменение фазных ЭДС во времени. В электромашинах переменного типа такие изменения более сглажены.
6. Устройства, вырабатывающие электричество, не имеют особой конструктивной разницы. Но генераторы постоянного типа требуют большего контроля со стороны человека. Электромашины переменного типа более надежны, требуют меньшего вмешательства, так как часто не оснащаются сложным электронным оборудованием для регулировки и контроля напряжения.
7. Переменное напряжение вырабатывается при меньших затратах на медную обмотку, при этом габаритные размеры таких генераторов могут быть значительно меньше.
8. Для выработки зарядного тока, генератор должен работать через передаточный механизм. Только так можно добиться мгновенной выработки нужного значения при малых оборотах.

Использование электрических машин, вырабатывающих постоянный ток не является целесообразным. Это связано с тем, что они менее надежные. Гораздо менее затратными являются устройства для выработки переменного напряжения, которые оснащены выпрямителями. Такой механизм может работать практически на любых оборотах с сохранением нужного напряжения и имеет защиту от перегрузок. Габариты такого устройства будут намного меньше, при том что выходная мощность устройств будет одинаковой.

Заключение

Переменные и постоянные генераторы имеют схожую конструкцию. Отличаются они только необходимостью преобразования тока из одного значения в другое. Генераторы постоянного тока при этом имеют более сложную схему, и во время их работы требуется контроль со стороны человека.

Видео по теме