Переменный ток промышленной частоты вырабатывается на электростанциях специально предназначенными для этих целей электромашинными синхронными генераторами. Принцип действия этих агрегатов основан на явлении электромагнитной индукции. Производимая паровой или гидравлической турбиной механическая энергия преобразовывается в электроэнергию переменного тока.
Вращающейся частью привода или ротором является электрический магнит, который и передает вырабатываемое магнитное поле на статор. Это – внешняя часть устройства, состоящая из трех катушек с проводами.
Передача напряжения осуществляется через коллекторные щетки и кольца. Медные роторные кольца вращаются одновременно с коленвалом и ротором, в результате чего к ним прижимаются щетки. Те, в свою очередь, остаются на месте, позволяя электротоку передаваться от неподвижных элементов генератора его вращающейся части.
Произведенное таким образом магнитное поле, вращаясь поперек статора, производит электропотоки, которые и осуществляют зарядку аккумулятора.
Популярные модели сварочных генераторов переменного тока :
В настоящее время имеется много различных типов индукционных генераторов . Но все они состоят из одних и тех нее основных частей. Это, во-первых, электромагнит или постоянный магнит, создающий магнитное поле, и, во-вторых, обмотка, в которой индуцируется переменная ЭДС - электро движущая сила (в рассмотренной модели генератора это вращающаяся рамка). Так как ЭДС, наводимые в последовательно соединенных витках, складываются, то амплитуда ЭДС индукции в рамке пропорциональна числу витков в ней. Она пропорциональна также амплитуде переменного магнитного потока (Фm = BS) через каждый виток.
Принцип действия генератора переменного тока следующая. Для получения большого магнитного потока в генераторах применяют специальную магнитную систему, состоящую из двух сердечников, сделанных из электротехнической стали. Обмотки, создающие магнитное поле, размещены в пазах одного из сердечников, а обмотки, в которых индуцируется ЭДС, - в пазах другого. Один из сердечников (обычно внутренний) вместе со своей обмоткой вращается вокруг горизонтальной или вертикальной оси. Поэтому он называется ротором. Неподвижный сердечник с его обмоткой называют статором. Зазор между сердечниками статора и ротора делают как можно меньшим для увеличения потока магнитной индукции.
В изображенной на рисунке модели генератора вращается проволочная рамка, которая является ротором (правда, без железного сердечника). Магнитное поле создает неподвижный постоянный магнит. Разумеется, можно было бы поступить и наоборот: вращать магнит, а рамку оставить неподвижной.
В больших промышленных генераторах вращается именно электромагнит, который является ротором, в то время как обмотки, в которых наводится ЭДС, уложены в пазах статора и остаются неподвижными. Дело в том, что подводить ток к ротору или отводить его из обмотки ротора во внешнюю цепь приходится при помощи скользящих контактов. Для этого ротор снабжается контактными кольцами, присоединенными к концам его обмотки.
Рис.1. Структурная схема генератора переменного тока.
Неподвижные пластины - щетки - прижаты к кольцам и осуществляют связь обмотки ротора с внешней цепью. Сила тока в обмотках электромагнита, создающего магнитное поле, значительно меньше силы тока, отдаваемого генератором во внешнюю цепь. Поэтому генерируемый ток удобнее снимать с неподвижных обмоток, а через скользящие контакты подводить сравнительно слабый ток к вращающемуся электромагниту. Этот ток вырабатывается отдельным генератором постоянного тока (возбудителем), расположенным на том левее валу (В настоящее время постоянный ток в обмотку ротора чаще всего подают из статорной обмотки этого же генератора через выпрямитель).
В маломощных генераторах магнитное поле создается вращающимся постоянным магнитом. В таком случае кольца и щетки вообще не нужны.
Появление ЭДС в неподвижных обмотках статора объясняется возникновением в них вихревого электрического поля, порожденного изменением магнитного потока при вращении ротора.
Современный генератор электрического тока — это внушительное сооружение из медных проводов, изоляционных материалов и стальных конструкций. При размерах в несколько метров важнейшие детали генераторов изготовляются с точностью до миллиметра. Нигде в природе нет такого сочетания движущихся частей, которые могли бы порождать электрическую энергию столь же непрерывно и экономично.
Вал генератора приводится во вращение от шкива, установленного на коленчатом валу двигателя, клиновидным ремнем. Передаточное число клиноременной передачи 1,7-2,0. При движении автомобиля частота вращения коленчатого вала при холостом ходе у современных двигателей составляет 500-600 об/мин, максимальная частота 4000-5000 об/мин. Таким образом, кратность изменения частоты вращения двигателя, а, следовательно, и вала генератора может достигать 8 - 10. Напряжение генератора зависит от частоты вращения его вала. Чем выше частота, тем больше напряжение генератора. Однако все приборы электрооборудования автомобиля, особенно лампы и контрольно-измерительные
приборы, рассчитаны на питание от постоянного напряжения 12 или 24 В. Поддержание постоянства напряжения генератора независимо от изменения частоты вращения и нагрузки генератора (включения потребителей) выполняет специальный прибор, называемый регулятором напряжения.
При снижении частоты вращения коленчатого вала двигателя ниже 500-700 -об /мин напряжение генератора становится меньше напряжения аккумуляторной батареи. Если батарею не отключить от генератора, она начнет разряжаться на генератор, что может привести к перегреву изоляции обмоток генератора и разряду аккумуляторной батареи. При увеличении частоты вращения коленчатого вала двигателя необходимо вновь включить генератор в систему электрооборудования. Включение генератора в систему электрооборудования, когда его напряжение выше напряжения аккумуляторной батареи, и отключение генератора от сети, когда его напряжение ниже напряжения аккумуляторной батареи, выполняет специальный прибор, называемый реле обратного тока.
Генератор рассчитан на отдачу определенной максимальной для данного генератора величины тока, однако при неисправности в системе электрооборудования (разряженная аккумуляторная батарея, короткое замыкание и т. д.) генератор может отдавать ток больший, чем тот, на который он рассчитан. Длительная работа генератора в таком режиме приведет к его перегреву и сгоранию изоляции обмоток. Для защиты генератора от перегрузки служит специальный прибор, называемый ограничителем тока.
Все три прибора - регулятор напряжения, реле обратного тока и ограничитель тока-объединены в одном устройстве, называемом реле-регулятором.
В некоторых генераторах, например Г-250, переменного тока реле обратного тока и ограничитель тока могут отсутствовать, но в конструкции генератора имеются устройства, выполняющие функции этих приборов.
На рис. 1 показано устройство генератора переменного тока Г-250. Генератор имеет статор 6 с трехфазной обмоткой, выполненной в виде отдельных катушек, насаженных, на зубцы статора. В каждой фазе имеется по шесть катушек, соединенных последовательно. Фазные обмотки статора соединены звездой, и их выходные зажимы подключены к выпрямительному блоку 10.
Устройство генератора переменного тока Г-250
Корпус статора набран из отдельных пластин электротехнической стали. Обмотка возбуждения 4 генератора выполнена в виде катушки и помещена на стальной втулке клювообразных полюсов ротора 13. Втулка, клювообразные полюсы ротора и контактные кольца 5 жестко закреплены на валу 3 ротора (прессовая посадка на накатку). Магнитное поле, создаваемое обмоткой возбуждения, проходя через торцы клювообразных полюсов, образует северные и южные полюсы на роторе (рис. 2) (Е.В. Михайловский, «Устройство автомобиля», с. 163).
При вращении ротора магнитное поле полюсов ротора пересекает витки катушек обмотки статора, индуктируя в каждой фазе переменную э.д.с.
Схема выпрямления переменного тока
Ток в обмотке возбуждения подводится через щетки 8 (рис.1) и контактные кольца 5, к которым припаяны концы обмотки возбуждения. Щётки укреплены в щеткодержателе 9.
Статор генератора с помощью стяжных болтов закреплен между крышками 1 и 7, которые имеют кронштейны крепления генератора к двигателю. В крышке 1 со стороны привода вверху имеется резьбовое отверстие для крепления натяжной планки, с помощью которой регулируется натяжение приводного ремня генератора. Крышки отлиты из алюминиевого сплава.
С целью уменьшения износа посадочное место под шарикоподшипник в задней крышке 7 и отверстия в кронштейнах крышек армированы стальными втулками.
В крышках установлены шариковые подшипники 2 и 12 с двусторонним уплотнением и смазкой, заложенной на весь срок службы подшипника.
На выступающий конец вала 3 ротора крепится наружный вентилятор 14 (рис. 1) и шкив 15. В крышках имеются вентиляционные окна, через которые проходит охлаждающий воздух. Направление движения охлаждающего воздуха - от крышки со стороны контактных колец к вентилятору.
В крышке со стороны контактных колец устанавливается выпрямительный блок 10, собранный из кремниевых вентилей (диодов), допускающих рабочую температуру корпуса плюс 150°С.
Типы выпрямительных блоков
Выпрямительный блок ВБГ-1. (рис. 4) состоит из трех моноблоков, соединенных в схему двухполупериодного трехфазного выпрямителя
Каждые два вентиля выпрямителя размещены в моноблоке, выполняющем одновременно роль радиатора и токопроводящего зажила средней точки схемы 3. В корпусе моноблока-радиатора 4 имеются два гнезда, в которых собраны р-п-переходы выпрямительных вентилей. В одном гнезде р-п-переход имеет на корпусе р-зону, а в другом - п-зону. Противоположные зоны переходов имеют гибкие выводы 9, которые соединяют моноблок с соединительными шинами 2. Отрицательная шина выпрямительного блока соединена с корпусом генератора. В более поздних конструкциях выпрямительных блоков БПВ-4-45 (рис. 4,б) на ток 45 А применяют кремниевые вентили типа ВА-20, которые запрессованы в теплоотводы 12 отрицательной и положительной полярности по три вентиля в каждый. Теплоотводы изолированы один от другого пластмассовыми втулками-изоляторами 13. Обратный ток вентилей не превышает 3 мА, а собранного блока -10 мА. Для генераторов с максимальной мощностью до 1200 B т (Г-228) применяют кремниевые выпрямительные блоки ВБГ-7-Г на ток 80 А (рис. 4, в) или БПВ-7-100. В блоках БПВ-7Т и БПВ-7-100 применены вентили ВА-20 по два параллельно в каждом плече, по шесть вентилей в каждом теплоотводе. Блок БПВ-7-100 на ток 100 A и его электрическая схема показаны на рис. 4, г.
Для снижения уровня радиопомех в блоках, ВБР-7-Г и, БПВ-7-100 установлен параллельно зажимам «+», и «-» генератора конденсатор ёмкостью 4,7 мкФ. Общий вид вентиля BA -20 показан на рис. 5. Номинальный ток вентиля 20 А. Для упрощения схемы, электрических соединений вентили выпускаются в двух исполнениях - с прямой и обратной полярностью корпусам (рис. 5, б). В вентилях прямой полярности «+» выпрямленного будет на корпусе, в вентилях обратной полярности будет «-» выпрямленного тока.
Вентили прямой и обратной полярности различаются цветом маркировки, наносимой краской на донышке корпуса. Вентили прямой полярности: («+» на корпус) помечают красной краской, а вентили обратной полярности («-» на корпус) - черной.
Кремниевый вентиль ВА-20
Электрическая схема соединения обмоток генератора и выпрямителей показана на рис 3, а. При вращении ротора генератора в каждой фазе индуктируется переменное напряжение изменение которого за один период показано на рис. 3, б. После выпрямления кривые фазного напряжения примут вид изображенный на рис. 3,в. Выпрямленное напряжение будет почти постоянным, (линия 1 на рис. 3, в), причем частота пульсаций выпрямленного напряжения будет в шесть раз больше, чем частота в фазных обмотках (Ю.И. Боровских, «Устройство автомобилей», с. 183).
С увеличением, частоты вращения повышается частота тока, индуктированного в фазных отмотках генератора переменного тока , и возрастает индуктивное сопротивление обмоток. Поэтому при большой частоте, вращения ротора, когда генератор может отдавать максимальную мощность, не возникает опасности его перегрузки, поскольку сила тока генератора ограничивается повышенным индуктивным сопротивлением его обмоток. Это явление в генераторах переменного тока называется свойством самоограничения. Автомобильные генераторы Г-250, Г-270, Г-221 и другие сконструированы таким образом, что не нуждаются в ограничителе тока.
Свойство вентилей пропускать ток только в одном направлении (от генератора к аккумуляторной батарее) исключает необходимость установки в реле-регуляторе реле обратного тока. Таким образом, реле-регуляторе работающем с автомобильным генератором переменного тока , может применяться только регулятор напряжения. Это значительно упрощает конструкцию и снижает размеры, вес и стоимость реле-регулятора. Пути тока через вентили выпрямителя при прохождении обмотками первой фазы северного и южного полюсов ротора показаны на рис. 3, а стрелками. Как видно из схемы, при наличии в обмотках первой фазы переменного по направлению тока ток в цепи нагрузки (Rн) будет постоянным. Аналогично происходит процесс и в других фазах.
Отказами и неисправностями генератора являются: обрыв или короткое замыкание в обмотке статора генератора или в обмотке возбуждения, нарушение контакта щеток с кольцами и искрение щеток, износ подшипников генератора, поломка или ослабление пружины щеткодержателей, пробой диодов в выпрямителе, ослабление натяжения (чрезмерное натяжение) приводного ремня.
Неисправности генератора обнаруживаются по показаниям амперметра или сигнальной лампы. Амперметр при неисправном генераторе будет показывать разряд, а сигнальная лампа будет гореть при работающем двигателе. Нарушение контакта щеток с кольцами возникает от загрязнения, обгорания или их износа, выкрашивания или износа щеток, а также ослабления или поломки нажимных пружин щеток. Загрязнение кольца следует протереть чистой тряпкой, обгоревшие кольца прочистить стеклянной бумагой, изношенную щетку заменить новой и притереть ее по кольцу.
III. ДИАГНОСТИКА ГЕНЕРАТОРА
Диагностирование генераторов сводится к проверке ограничивающего напряжения и работоспособности генератора. Для выполнения этой операции необходимо включить вольтметр параллельно потребителям тока. Ограничивающее напряжение проверяют при включенных потребителях тока (подфарниках и габаритных фонарях) и повышенной частоте вращения коленчатого вала двигателя. Оно должно быть в диапазоне 13,5-14,2 В. Работоспособность генератора оценивают по напряжению при включении всех потребителей на частоте вращения, соответствующей полной отдаче генератора, которое должно быть не ниже 12 В. Однако подобная методика проверки не может выявить характерные, хотя и редко встречающиеся неисправности генератора, такие, как обрыв или замыкание обмоток статора на массу, обрыв или пробой диодов выпрямителя, ввиду значительных резервов работоспособности генератора.
Эти неисправности легко выявляются по характерному виду осциллограмм, связанному в первую очередь с увеличением диапазона колебания напряжения. При исправной работе генератора диапазон колебаний напряжения в сети не превышает 1-1,2 В, который обусловливается периодическим включением в цепь нагрузки первичной обмотки катушки зажигания. Это легко читается по осциллограмме осциллографа мотортестера (Элкон S -300, Элкон S -100А, К-461, К-488).
При одном пробитом (закороченном) диоде в результате его выпрямляющих свойств диапазон колебания напряжения возрастает до 2,5-3 В. при общем снижении частоты его колебаний. Средний уровень напряжения, показываемый вольтметром, при этом не меняется, однако выбросы напряжения приводят к снижению долговечности аккумуляторной батареи и других элементов электрооборудования (В.Л. Роговцев, «Устройство и эксплуатация автотранспортных средств», с.391).
Таким образом, одновременное применение осциллографа и вольтметра позволяет быстро и объективно проводить диагностирование генераторов и реле-регуляторов переменного тока . Повышение напряжения генератора более расчетного на 10-12% снижает срок службы аккумуляторной батарей в 2-3 раза.
Неисправный генератор заменяют или ремонтируют в условиях электроцеха, ограничивающее напряжение реле-регулятора регулируют натяжением пружины якорька, а при отсутствии таковой возможности реле-регулятор также заменяют. Бесконтактно-транзисторные реле-регуляторы регулируют только в условиях электроцеха.
Научные направления, исследования в которых оказались так же плодотворны, как в области токов высокой частоты, немногочисленны. Уникальные свойства этих токов и поразительная природа явлений, которые они продемонстрировали, незамедлительно завладели всеобщим вниманием. интерес к исследованиям в этой области проявили ученые, перспективой их промышленного применения заинтересовались инженеры, а врачи увидели в них долгожданное средство эффективного лечения телесных заболеваний. С того момента, когда были опубликованы мои первые научно-исследовательские работы в 1891 году, написаны сотни томов на эту тему, сделано бесчисленное множество выводов в связи с этим новым явлением. Тем не менее это научно-техническое направление находится в периоде становления, и будущее хранит в своих недрах нечто несравнимо более значительное.
Я с самого начала осознавал настоятельную необходимость создания эффективных приборов, отвечающих быстрорастущим требованиям, и в течение восьми лет, последовательно выполняя высказанные ранее обещания, разработал не менее пятидесяти типов преобразователей, или электрических генераторов, переменного тока, безупречных во всех отношениях и доведенных до такой степени совершенства, что и сейчас ни в один из них не смог бы внести каких-либо существенных улучшений. Если бы я руководствовался практическими соображениями, возможно, открыл бы великолепное и приносящее доход дело, оказывая попутно значительные услуги человечеству. Но сила обстоятельств и невиданные ранее перспективы еще более значительных достижений направили мои усилия в другое русло. И теперь всё идет к тому, что в скором времени на рынке будут продаваться приборы, которые, как это ни странно, были созданы двадцать лет тому назад!
Эти генераторы специально предназначены для того, чтобы работать в осветительных сетях постоянного и переменного тока, создавать затухающие и незатухающие колебания с частотой, амплитудой и напряжением, устанавливаемыми в широком диапазоне. Они компактны, автономны, в течение долгого времени не нуждаются в обслуживании и будут считаться очень удобными и полезными в различных областях, например, для беспроволочного телеграфа и телефона; для преобразования электрической энергии; для образования химических соединений путем слияния и присоединения; для синтеза газов; для производства озона; для освещения, сварки, санитарной профилактики и дезинфекции муниципальных, лечебных и жилых помещений, а также для многих других целей в научных лабораториях и на промышленных предприятиях. Хотя эти преобразователи никогда ранее не были описаны, общие принципы их устройства изложены в полном объеме в моих публикациях и в патентах, более подробно в датированых 22 сентября 1896 года, и поэтому, думается, несколько прилагаемых фотографий и сопутствующее краткое пояснение дадут исчерпывающую информацию, если таковая потребуется.
Основными частями такого генератора являются конденсатор, катушка самоиндукции для накопления высокого потенциала, прерыватель и трансформатор, который питается от периодических разрядов конденсатора. Устройство включает в себя как минимум три, а обычно четыре, пять или шесть элементов настройки; регулирование эффективности осуществляется несколькими способами, чаще всего с помощью простого юстировочного винта. При благоприятных условиях можно получить КПД до 85 %, то есть можно сказать, что энергия, поступающая от источника питания, может быть регенерирована во вторичном контуре трансформатора. Если главное достоинство аппарата такого типа явно обусловлено замечательными возможностями конденсатора, то определенные специфические качества являются следствием образования последовательного контура при условии соблюдения точных гармонических соотношений и минимизации потерь на трение, а также иных потерь, что и является одной из основных целей этого проекта.
Говоря обобщенно, приборы можно разделить на два класса: один, в котором прерыватель имеет твердые контакты, и другой, в котором замыкание и размыкание осуществляются с помощью ртути. Иллюстрации с 1 по 8 включительно демонстрируют первый тип, а остальные - второй. Первые способны достигать более высокой эффективности с учетом того, что потери от замыкания и размыкания снижены до минимума, и переходное сопротивление, вызывающее затухание колебаний, мало. Вторые предпочтительнее использовать в тех случаях, когда требуется большая мощность на выходе и большое число размыканий в секунду. двигатель и прерыватель потребляют, конечно, определенное количество энергии, доля которой, однако, будет тем меньше, чем больше мощность установки.
На иллюстрации 1 представлен один из первых типов генераторов, построенный для экспериментальных целей. Конденсатор помещен в ящик прямоугольной формы из красного дерева, на который монтируется катушка самоиндукции, витки которой, подчеркиваю, разделены на две секции, соединяемые параллельно или последовательно в зависимости от напряжения питания в 110 или 220 вольт. Из ящика выступают четыре медных стержня с укрепленной на них пластиной с пружинными контактами и регулировочными винтами; над ящиком помещены два массивных вывода, соединенных с первичной обмоткой трансформатора. Два стержня предназначены для соединения с конденсатором, а два других используются для подсоединения к клеммам выключателя перед катушкой самоиндукции и конденсатором. Первичная обмотка трансформатора состоит из нескольких витков медной ленты, к концам которой припаяны короткие штыри, точно соответствующие предназначенным для них выводам. Вторичная обмотка состоит из двух частей, намотанных таким образом, чтобы максимально снизить собственную емкость и в то же время дать возможность катушке выдерживать очень высокое напряжение между ее выводами в центре, которые соединены с клеммами на двух выступающих резиновых стойках. Порядок соединений в цепи может несколько варьироваться, но обычно они таковы, как схематично представлены в майском номере «Electrical Experimenter» на странице 89, где идет речь о моем трансформаторе, предназначенном для работы в генераторах переменного тока, фотоснимок которого помещен на странице 16 того же номера журнала. Принцип действия устройства заключается в следующем. Когда выключатель включен, ток от источника питания устремляется через катушку самоиндукции, намагничивая железный сердечник внутри нее и разъединяя контакты прерывателя. наведенный ток заряжает конденсатор до высокого напряжения, и после замыкания контактов аккумулированная энергия сбрасывается через первичную обмотку, вызывая продолжительную серию колебаний, которые возбуждают настроенную вторичную обмотку.
Ил. 1. Генератор, созданный для экспериментальных целей
Устройство оказалось чрезвычайно полезным в проведении всевозможных лабораторных экспериментов. Например, при исследовании явлений импеданса трансформатор был снят, а к выводам подключена согнутая медная пластина. Пластина часто заменялась большим кольцевым витком, чтобы продемонстрировать явления индукции на расстоянии, то есть способность возбуждать резонансные контуры, используемые в различных исследованиях и измерениях. Трансформатор, пригодный для любого применения, можно легко изготовить и присоединить к любым входам, тем самым достигалась большая экономия времени и труда. Вопреки предположениям состояние контактов прерывателя не доставляло больших неприятностей, несмотря на то, что сила тока, проходившего через них, была большой, то есть при наличии резонанса сильный ток возникал только в том случае, когда контур был замкнут, и исключалась возможность образования разрушительной дуги. Первоначально я применял платиновые и иридиевые контакты, позднее заменил материал метеоритным веществом и в конце концов остановился на вольфраме. Последний принес наибольшее удовлетворение, поскольку допускал непрерывную работу в течение многих часов и дней.
На иллюстрации 2 представлен малый генератор, спроектированный для некоторых специальных целей. В основу разработки легла идея получения больших энергий за очень короткий промежуток времени после сравнительно длительной паузы. Для этой цели использовались катушка с большой самоиндукцией и прерыватель быстрого действия. Благодаря такому построению конденсатор заряжался до высокого потенциала. Во вторичной обмотке были получены быстропеременный ток и искровые разряды большой величины, пригодные для сварки тонких проводов, для засвечивания ламп накаливания, для запала взрывчатых смесей и других подобных применений. Этот прибор был также приспособлен для питания от батарей, и эта модификация оказалась весьма эффективной в качестве запальника для газовых двигателей, на которую мне был предоставлен патент за номером 609250 от 16 августа 1898 года. Иллюстрация 3 представляет большой генератор первого класса, предназначенный для экспериментов в области беспроводной передачи, получения рентгеновских лучей и других научных исследований. Он состоит из ящика и двух помещенных внутри него конденсаторов, имеющих такую емкость, какую могут выдержать заряжающая катушка и трансформатор. Автоматический прерыватель, ручной выключатель и соединительные клеммы смонтированы на передней панели катушки самоиндукции так же, как и одна из контактных пружин. Корпус конденсатора имеет три вывода, из которых два крайних служат только для соединения, в то время как средний снабжен контактной пластинкой с винтом для регулирования интервала, во время которого контур замкнут. Вибрирующую пружину, единственная функция которой состоит в том, чтобы вызывать периодические размыкания, можно настраивать, изменяя степень ее сжатия, а также расстояние от железного сердечника, находящегося в центре заряжающей катушки, с помощью четырех регулировочных винтов, которые видны на верхней панели, что обеспечивает любой желаемый режим механической настройки. Первичная обмотка трансформатора выполнена из медной полосы, и в соответствующих точках сделаны выводы для произвольного варьирования числа витков. Так же, как в осцилляторе, представленном на иллюстрации 1, катушка самоиндукции имеет двухсекционную обмотку, чтобы прибор мог работать от сети напряжением в 110 и 220 вольт; было также предусмотрено несколько вторичных обмоток, соответствующих волнам различной длины в первичной обмотке. Мощность на выходе составляла приблизительно 500 ватт при затухающих колебаниях около 50.000 периодов в секунду. Незатухающие колебания появлялись на короткие промежутки времени при сжимании вибрационной пружины, которая плотно прижималась к железному сердечнику, и при разъединении контактов с помощью регулирующего винта, который выполнял и функцию ключа. С помощью этого генератора я произвел ряд важных наблюдений, и именно одна из таких машин была представлена на лекции в Нью-Йоркской академии наук в 1897 году.
Ил. 2. Малый генератор колебаний Теслы, разработанный как запальник для газовых двигателей
Ил. 3. Большой генератор колебаний Теслы, предназначенный для проведения экспериментов по беспроводной передаче
Ил. 7 . Большой трансформатор Теслы
Ил. 8. Преобразователь с роторным прерывателем, используемый для экспериментов в области беспроводной передачи
Иллюстрация 4 демонстрирует тип трансформатора, во всех отношениях идентичный тому, что был представлен в уже упоминавшемся майском номере "Electrical Experimenter" за 1919 год. Он состоит из тех же самых основных деталей, размещенных аналогичным образом, но он специально сконструирован для источников питания от 220 до 500 вольт и выше. Настройка осуществляется путем установки контактной пружины и перемещения железного сердечника вверх и вниз внутри индукционной катушки с помощью двух регулировочных винтов. Для предотвращения повреждений от короткого замыкания в линию питания включены плавкие предохранители. Во время фотосъемки прибор работал, генерируя незатухающие колебания, от осветительной сети в 220 вольт.
Иллюстрация 5 представляет более позднюю модификацию трансформатора, предназначавшегося главным образом для замены катушек Румкорфа. В этом случае применяется первичная обмотка со значительно большим числом витков, а вторичная находится в непосредственной близости от нее. токи, образующиеся в последней, напряжением от 10.000 до 30.000 вольт используются обычно для зарядки конденсаторов и питания автономной высокочастотной катушки. Механизм управления устроен несколько иначе, но обе детали - и сердечник, и контактная пружина - регулируются, как и прежде.
Иллюстрация 6 демонстрирует небольшой прибор из серии такого рода устройств, предназначенный, в частности, для производства озона или дезинфекции. Для своих габаритов он в высшей степени эффективен и может быть подключен к сети напряжением в 110 или 220 вольт постоянного или переменного тока , первое предпочтительнее.
Ил. 9. Трансформатор и ртутный прерыватель
Ил. 10. Большой преобразователь Теслы с герметичной камерой и ртутным контроллером
На иллюстрации 7 показан более крупный трансформатор этой серии. Конструкция и компоновка составных частей остались прежними, но в корпусе имеются два конденсатора, один из которых входит в цепь катушки, как и в предыдущих моделях, в то время как другой подключен параллельно к первичной обмотке. Таким образом, в последней образуются токи большой силы и, следовательно, усиливаются эффекты во вторичной цепи. Введение дополнительного резонансного контура дает также другие преимущества, но настройка оказывается более трудным делом, и поэтому желательно использовать прибор такого рода для получения токов заданной постоянной частоты.
Ил. 11. Генератор Теслы с герметично закрытым ртутным прерывателем , сконструированным для генераторов низкого напряжения
Ил. 13. Другой вид преобразователя переменного тока с герметично запаянным ртутным прерывателем
Ил. 14. Схема и компоновка деталей модели, представленной на иллюстрации 13
Иллюстрация 8 показывает трансформатор с роторным прерывателем. В корпусе имеются два конденсатора одинаковой емкости, которые могут соединяться последовательно или параллельно. Заряжающие индуктивности имеют форму двух длинных бобин, на которых помещаются два вывода вторичного контура. Для приведения в действие специально сконструированного прерывателя применяется небольшой мотор постоянного тока, число оборотов которого может варьироваться в широких пределах. По другим характеристикам этот генератор подобен модели, представленной на иллюстрации 3, и из вышесказанного легко можно понять, как он работает. Этот трансформатор использовался мной в опытах по беспроводной передаче и часто для освещения лаборатории моими вакуумными трубками, а также экспонировался во время упомянутой выше лекции, которую я читал перед Нью-Йоркской академией наук.
Теперь перейдем к машинам второго класса, одной из которых является преобразователь переменного тока, показанный на иллюстрации 9. в его схему входят конденсатор и заряжающая индукционная катушка, которые помещены в одну камеру, трансформатор и ртутный прерыватель. Конструкция последнего была впервые описана в моем патенте № 609251 от 16 августа 1898 года. он состоит из приводимого в движение электродвигателем полого барабана с небольшим количеством ртути внутри него, которая отбрасывается центробежной силой на стенки полости и увлекает за собой контактный диск, периодически замыкающий и размыкающий конденсаторную цепь. С помощью регулировочных винтов над барабаном можно по желанию менять глубину погружения лопастей, следовательно, продолжительность каждого контакта, и таким образом регулировать характеристики прерывателя. Этот вид прерывателя удовлетворял всем требованиям, так как исправно работал с токами силой от 20 до 25 ампер. Число прерываний в секунду составляло обычно от 500 до 1000, но возможна и более высокая частота. всё устройство имеет габариты 10 дюймов х 8 дюймов х 10 дюймов, и выходная мощность составляет приблизительно 1 / 2 кВт.
В описанном здесь преобразователе прерыватель подвержен воздействию атмосферы и происходит постепенное окисление ртути. От этого недостатка избавлен прибор, представленный на иллюстрации 10. Он имеет перфорированный металлический корпус, внутри которого размещаются конденсатор и заряжающая индукционная катушка, а над ним находятся мотор прерывателя и трансформатор.
Ил. 15 и 16. Преобразователь Теслы с герметично закрытым ртутным прерывателем , работа которого регулируется силой тяжести; узлы электродвигателя и прерывателя
Тип ртутного прерывателя, который будет описан, действует по принципу реактивной струи, которая, пульсируя, создает контакт с вращающимся диском внутри барабана. Неподвижные детали закреплены внутри камеры на штанге, проходящей по всей длине полого барабана, и ртутный затвор используется для герметичного закрытия камеры, внутри которой находится прерыватель. Прохождение тока внутрь барабана осуществляется посредством двух скользящих колец, расположенных сверху, которые соединены последовательно с конденсатором и первичной обмоткой. Исключение кислорода является бесспорным усовершенствованием, которое устраняет окисление металла и связанные с этим трудности и постоянно поддерживает рабочий режим.
На иллюстрации 11 показан генератор с герметически закрытым ртутным прерывателем . В этом устройстве неподвижные части прерывателя внутри барабана укреплены на трубке, сквозь которую пропущен изолированный провод, присоединенный к одному выводу выключателя, в то время как другой вывод подключен к резервуару. Это делало ненужными скользящие кольца и упрощало конструкцию. Прибор сконструирован для генераторов с низким напряжением и частотой, что требует сравнительно небольшого тока в первичной обмотке, использовался для возбуждения резонансных контуров.
Иллюстрация 12 представляет усовершенствованную модель генератора колебаний, описание которой дано к иллюстрации 10. В этой модели была ликвидирована несущая штанга внутри полого барабана, и устройство, нагнетающее ртуть, удерживается на месте под действием силы тяжести. Более подробное описание будет приведено в связи с другой иллюстрацией. И емкость конденсатора, и количество витков первичного контура можно менять, чтобы иметь возможность генерировать колебания в нескольких частотных режимах.
Иллюстрация 13 являет собой фотографическое изображение еще одного типа генератора переменного тока с герметически закрытым ртутным прерывателем , а иллюстрация 14 представляет собой схему цепей и компоновку частей, которые воспроизведены из моего патента № 609245 от 16 августа 1898 года, где описывается именно это устройство. Конденсатор, индукционная катушка, трансформатор и прерыватель размещены, как и прежде, но последний имеет конструктивные отличия, что станет ясным после рассмотрения этой схемы. Полый барабан а соединен с осью с, которая смонтирована с вертикальным подшипником и проходит через постоянный электромагнит возбужденияd двигателя. Внутри барабана на подшипниках качения укреплено тело h из магнитного вещества, защищенного колпаком b в центре пластинчатого железного кольца, с полюсными наконечниками оо, на которых имеются подключенные к току спирали р. Кольцо поддерживается четырьмя стойками, и в намагниченном состоянии оно удерживает тело h в одном положении во время вращения барабана. Последний изготовлен из стали, а колпак лучше сделать из нейзильбера, черненного кислотой или никелированного. Телоh имеет короткую трубку k, согнутую, как показано, для улавливания жидкости в процессе ее вращения и выбрасывания на зубья диска, прикрепленного к барабану. Диск имеет изоляцию, а контакт между ним и внешним контуром осуществляется посредством ртутной воронки. При быстром вращении барабана струя жидкого металла выбрасывается на диск, замыкая и размыкая таким способом контакт приблизительно 1.000 раз в секунду. Прибор работает бесшумно и благодаря отсутствию окисляющей среды остается неизменно чистым и в отличном состоянии. Возможно тем не менее добиться гораздо большего числа колебаний в секунду для того, чтобы сделать токи пригодными для беспроводной телефонии, и других подобных целей.
Модифицированный тип генератора колебаний представлен на иллюстрациях 15 и 16, первая является фотографическим изображением, а вторая - схемой, показывающей компоновку внутренних частей регулятора. В данном случае вал b . несущий пустотелый контейнер а, опираясь на подшипники качения, соединен со шпинделем j . к которому прикреплен груз k. изолированный от последнего, но механически с ним соединенный, согнутый кронштейн L служит опорой свободновращающемуся диску прерывателя с зубцами. Диск подсоединен к внешнему контуру посредством ртутной воронки и изолированного штепселя, выступающего из верхней части вала. Благодаря наклонному положению электродвигателя груз k удерживает диск прерывателя на месте силой тяжести, и, поскольку вал вращается, контур, состоящий из конденсатора и первичной катушки, быстро замыкается и размыкается.
Ил. 17. Преобразователь Теслы с прерывающим устройством в виде струи ртути
Иллюстрация 17 демонстрирует идентичный прибор, в котором прерыватель представляет собой струю ртути, бьющую в изолированное зубчатое колесо, которое находится на изолированном штыре в центре колпака барабана, как это видно на снимке. Соединение с конденсатором осуществляется посредством щеток, находящихся на этой же крышке.
Иллюстрация 18 - тип преобразователя с ртутным прерывателем с применением диска, модифицированного в некоторых деталях, которые необходимо внимательно рассмотреть.
Здесь представлено лишь несколько преобразователей переменного тока, работа над которыми завершена, и они составляют малую часть высокочастотной аппаратуры, подробное описание которой я надеюсь представить позже, когда буду свободен от неотложных обязательств.
Ил. 18. Преобразователь Теслы с ртутным прерывателем с применением диска
Описание :
Генератор переменного тока. Устройство и принцип работы.
Электрический ток является основным видом энергии, совершающим полезную работу во всех сферах человеческой жизни. Он приводит в движение разные механизмы, дает свет, обогревает дома и оживляет целое множество устройств, которые обеспечивают наше комфортное существование на планете. Поистине, этот вид энергии универсален. Из нее можно получить все что угодно, и даже большие разрушения при неумелом использовании.
Но было время, когда электрические эффекты все так же присутствовали в природе, но никак не помогали человеку. Что же изменилось с тех пор? Люди стали изучать физические явления и придумали интересные машины - преобразователи, которые, в общем, и сделали революционный скачок нашей цивилизации, позволив человеку получать одну энергию из другой.
Так люди научились вырабатывать электричество из обычного металла, магнитов и механического движения - только и всего. Были построены генераторы, способные выдавать колоссальные по мощности потоки энергии, исчисляемые мегаваттами. Но интересно, что принцип действия этих машин не так уж сложен и вполне может быть понятен даже подростку. Что же такое Попробуем разобраться в этом вопросе.
Основой появления в проводнике электрического тока является электродвижущая сила - ЭДС. Она способна заставить перемещаться заряженные частицы, которых много в любом металле. Эта сила появляется только в случае, если проводник испытывает на себе изменение интенсивности магнитного поля. Сам эффект получил название электромагнитной индукции. ЭДС тем больше, чем больше скорость изменения потока магнитных волн. То есть, можно возле постоянного магнита перемещать проводник, или на неподвижный провод влиять полем электромагнита, меняя его силу, эффект будет один и тот же - в проводнике появится электрический ток.
Над этим вопросом в первой половине XIX века работали ученые Эрстед и Фарадей. Они же и открыли это физическое явление. В последствии на основе электромагнитной индукции были созданы генераторы тока и электродвигатели. Интересно, что эти машины легко могут быть преобразованы друг в друга.
Понятно, что генератор электрического тока - это электромеханическая машина, вырабатывающая ток. Но на самом деле она есть преобразователь энергии: ветра, воды, тепла, чего угодно в ЭДС, которая уже вызывает ток в проводнике. Устройство любого генератора принципиально ничем не отличается от замкнутого проводящего контура, который вращается между полюсами магнита, как в первых опытах ученых. Только намного больше величина магнитного потока, создаваемого мощными постоянными или чаще электрическими магнитами. Замкнутый контур имеет вид многовитковой обмотки, которых в современном генераторе не одна, а минимум три. Все это сделано для того, чтобы получить как можно большую ЭДС.
Стандартный электрический генератор переменного тока (или постоянного) состоит из:
В генераторе, продуцирующем постоянный ток, проводящий контур вращается в пространстве магнитной насыщенности. Причем за определенный момент вращения каждая половина контура оказывается вблизи того или иного полюсника. Заряд в проводнике за этот полуоборот движется в одном направлении.
Чтобы получить съем частиц, сделан механизм отвода энергии. Его особенность в том, что каждая половина обмотки (рамки) соединена с токопроводящим полукольцом. Полукольца между собой не замкнуты, а закреплены на диэлектрическом материале. За период, когда одна часть обмотки начинает проходить определенный полюс, полукольцо замыкается в электрическую схему щеточными контактными группами. Получается, на каждую клемму приходит только одного вида потенциал.
Правильнее назвать энергию не постоянной, а пульсирующей, с неизменной полярностью. Пульсация вызвана тем, что магнитный поток на проводник при вращении оказывает как максимальное, так и минимальное влияние. Чтобы эту пульсацию выровнять, применяют несколько обмоток на роторе и мощные конденсаторы на входе схемы. Для уменьшения потерь магнитного потока зазор между якорем и статором делают минимальным.
Когда происходит вращение подвижной части генерирующего ток устройства, в проводниках рамки также наводится ЭДС, как и в генераторе постоянного тока. Но небольшая особенность - генератор переменного тока устройство коллекторного узла имеет другое. В нем каждый вывод соединен со своим токопроводящим кольцом.
Принцип работы генератора переменного тока следующий: когда половина обмотки проходит возле одного полюса (другая, соответственно, возле противоположного полюса), в цепи движется ток в одном направлении от минимума к наивысшему своему значению и снова к нулю. Как только обмотки меняют свое положение относительно полюсов, ток начинает свое движение в обратном направлении с той же закономерностью.
При этом на входе схемы получается форма сигнала в виде синусоиды с частотой полуволн, соответствующей периоду вращения вала ротора. Для того, чтобы получить на выходе стабильный сигнал, где частота генератора переменного тока постоянна, период вращения механической части должен быть неизменным.
Конструкции генераторов тока, где вместо металлической рамки как носитель зарядов используют токопроводящую плазму, жидкость или газ, получили название МГД-генераторов. Вещества под давлением прогоняют в поле магнитной напряженности. Под воздействием все той же ЭДС индукции заряженные частицы обретают направленное движение, создавая электрический ток. Величина тока прямо пропорциональна скорости прохождения через магнитный поток, а также его мощности.
Генераторы МГД имеют более простое конструктивное решение - в них отсутствует механизм вращения ротора. Такие источники питания способны выдавать большие мощности энергии в короткие промежутки времени. Их применяют в качестве резервных устройств и в условиях экстренных аварийных ситуаций. Коэффициент, определяющий полезное действие (КПД) этих машин выше, чем имеет электрический генератор переменного тока.
Существуют такие типы генераторов переменного тока:
Синхронный генератор переменного тока имеет строгую физическую зависимость между вращательным движением ротора и электричества. В таких системах ротор - это электромагнит, собранный из сердечников, полюсов и возбуждающих обмоток. Последние запитываются от источника постоянного тока посредством щеток и кольцевых контактов. Статор же представляет собой катушки провода, соединенные между собой по принципу звезды с общей точкой - нолем. В них уже наводится ЭДС и вырабатывается ток.
Вал ротора приводится в движение посторонней силой, обычно турбинами, частота движения которых синхронизирована и постоянна. Электрическая цепь, подключаемая к такому генератору, представляет собой трехфазную схему, частота тока в отдельной линии которой смещена на фазу в 120 градусов относительно других линий. Чтобы получить правильную синусоиду, направление магнитного потока в просвете между статорной и роторной частью регулируют конструкцией последних.
Возбуждение генератора переменного тока реализуют двумя методами:
В схеме контактного возбуждения на обмотки электромагнита через щеточную пару подают электроэнергию с другого генератора. Этот генератор может быть совмещен с валом основного. Он, как правило, имеет меньшую мощность, но достаточную, чтобы создать сильное магнитное поле.
Бесконтактный принцип предусматривает, что синхронный генератор переменного тока на валу имеет дополнительные трехфазные обмотки, в которых при вращении наводится ЭДС и вырабатывается электричество. Оно через выпрямляющую схему поступает на катушки возбуждения ротора. Конструктивно в такой системе отсутствуют подвижные контакты, что упрощает систему, делая ее более надежной.
Существует асинхронный генератор переменного тока. Устройство его отличается от синхронного. В нем нет точной зависимости ЭДС от частоты с которой вал ротора вращается. Присутствует такое понятие как «скольжение S», которое характеризует эту разницу влияния. Величина скольжения определяется вычислением, так что неправильно думать, будто бы нет закономерности электромеханического процесса в асинхронном двигателе.
Если генератор, работающий вхолостую, нагрузить, то протекающий в обмотках ток будет создавать магнитный поток, препятствующий вращению ротора с заданной частотой. Так образуется скольжение, что, естественно, влияет на выработку ЭДС.
Современный асинхронный генератор переменного тока устройство подвижной части имеет в трех разных исполнениях:
Такие машины могут иметь само- и независимое возбуждение. Первая схема реализуется за счет включения в обмотку конденсаторов и полупроводниковых преобразователей. Возбуждение независимого типа создается дополнительным источником переменного тока.
Все мощные источники питания линий электропередач вырабатывают трехфазный электрический ток. Они содержат в себе три обмотки, в которых образуются переменные токи со смещенной друг от друга фазой на 1/3 периода. Если рассматривать каждую отдельную обмотку такого источника питания, то получим однофазный переменный ток, идущий в линию. Напряжение в десятки тысяч вольт может вырабатывать генератор. потребитель получает с распределительного трансформатора.
Любой генератор переменного тока устройство обмоток имеет стандартное, но подключение к нагрузке бывает двух типов:
Принцип работы генератора переменного тока, включенного звездой, предполагает объединение всех проводов (нулевых) в один, которые идут от нагрузки обратно к генератору. Это обусловлено тем, что сигнал (электрический ток) передается в основном через выходящий провод обмотки (линейный), который и называют фазой. На практике это очень удобно, ведь не нужно тянуть три дополнительных провода для подключения потребителя. Напряжение между линейными проводами и линейным и нулевым проводом будут отличаться.
Соединяя треугольником обмотки генератора, их замыкают друг с другом последовательно в один контур. Из точек их соединения выводят линии к потребителю. Тогда вообще не нужен нулевой провод, а напряжение на каждой линии будет одинаковым независимо от нагрузки.
Преимуществом трехфазного тока перед однофазным является его меньшая пульсация при выпрямлении. Это положительно сказывается на питаемых приборах, особенно двигателях постоянного напряжения. Также трехфазный ток создает вращающийся поток магнитного поля, который способен приводить в движение мощные асинхронные двигатели.
Генераторы постоянного тока значительно меньше по размерам и массе, чем машины переменного напряжения. Имея более сложное конструктивное исполнение чем последние, они все же нашли применение во многих отраслях промышленности.
Основное распространение они получили в качестве высокооборотных приводов в машинах, где требуется регулирование частоты вращения, например, в металлообрабатывающих механизмах, подъемниках шахт, прокатных станах. В транспорте такие генераторы установлены на тепловозах, различных судах. Множество моделей ветрогенераторов собраны на базе источников постоянного напряжения.
Генераторы постоянного тока специального назначения применяют в сварке, для возбуждения обмоток генераторов синхронного типа, в качестве усилителей постоянного тока, для питания гальванических и электролизных установок.
Назначение генератора переменного тока - вырабатывать электроэнергию в промышленных масштабах. Такой вид энергии подарил человечеству Никола Тесла. Почему именно изменяющий полярность ток, а не постоянный нашел широкое применение? Это связано с тем, что при передаче постоянного напряжения идут большие потери в проводах. И чем длиннее провод, тем потери выше. Переменное напряжение можно транспортировать на огромные расстояния при гораздо меньших затратах. Причем легко можно преобразовывать переменное напряжение (понижая и повышая его), который выработал генератор 220 В.
Человек до конца не познал который пронизывает все вокруг. И электрическая энергия - это лишь малая часть открытых тайн мироздания. Машины, которые мы называем генераторами энергии, по сути очень просты, но то, что они могут нам дать, просто поражает воображение. Все же настоящее чудо здесь не в технике, а в мысли человека, которая смогла проникнуть в неисчерпаемый резервуар идей, разлитых в пространстве!
Генератор переменного тока или генератор постоянного тока представляют собой устройство выработки электричества путём преобразования механической энергии.
Как выглядит генератор переменного тока
Как работает генератор переменного тока? Ток генерируется в проводнике под действием магнитного поля. Удобно вырабатывать ток, если вращать прямоугольную электропроводную рамку в неподвижном поле или постоянного магнита внутри её.
При его вращении вокруг оси создаваемого им магнитного поля внутри рамки с угловой скоростью ω, вертикальные стороны контура будут активными, поскольку они пересекаются магнитными линиями. На совпадающие по направлению с магнитным полем горизонтальные стороны нет никакого действия. Поэтому в них ток не индуцируется.
Как выглядит генератор с магнитным ротором
ЭДС в рамке составит:
e = 2 B max lv sin ωt ,
B max – максимальная индукция, Тл;
l – высота рамки, м;
v – скорость рамки, м/с;
t – время, с.
Таким образом, от действия изменяющегося магнитного поля в проводнике индуцируется переменная ЭДС.
Для большого количества витков w , выразив формулу через максимальный поток F m , получим такое выражение:
e = wF m sin ω t .
Принцип работы генератора переменного тока другого типа основан на вращении токопроводящей рамки между двумя постоянными магнитами с противоположными полюсами. Простейший пример приведён на рисунке ниже. Появляющееся в ней напряжение снимается токосъёмными кольцами.
Генератор тока с постоянными магнитами
Применение устройства не очень распространено из-за нагрузки подвижных контактов большим током, проходящим через ротор. Конструкция первого приведённого варианта также их содержит, но через них подаётся значительно меньше постоянного тока через витки вращающегося электромагнита, а основная мощность снимается с неподвижной обмотки статора.
Особенностью устройства является равенство между частотой f , наведённой в статоре ЭДС и частотой оборотов ротора ω :
ω = 60∙ f / p об/мин,
где p – количество пар полюсов в обмотке статора.
Синхронный генератор создаёт в обмотке статора ЭДС, мгновенное значение которой определяется из выражения:
e = 2 π B max lwDn sin ω t,
где l и D – длина и внутренний диаметр сердечника статора.
Синхронный генератор вырабатывает напряжение с синусоидальной характеристикой. При подключении к его выводам С 1 , С 2 , С 3 потребителей, через цепь протекает одно-, или трёхфазный ток, схема ниже.
Схема трехфазного синхронного генератора
От действия изменяющейся электрической нагрузки также изменяется механическая нагрузка. При этом увеличивается или снижается скорость вращения, в результате чего меняются напряжение и частота. Чтобы такое изменение не происходило, электрические характеристики автоматически поддерживают на заданном уровне через обратные связи по напряжению и току на роторной обмотке. Если ротор генератора выполнен из постоянного магнита, он имеет ограниченные возможности стабилизации электрических параметров.
Ротор принудительно приводится во вращение. На его обмотку подаётся индукционный ток. В статоре магнитное поле ротора, вращающееся с той же скоростью, индуцирует 3 переменные ЭДС со сдвигом по фазе.
Основной магнитный поток генератора создаётся от действия постоянного тока, проходящего через обмотку ротора. Питание может поступать от другого источника. Также распространён способ самовозбуждения, когда незначительная часть переменного тока забирается от обмотки статора и проходит через обмотку ротора после предварительного выпрямления. Процесс основан на остаточном магнетизме, которого достаточно для запуска генератора.
Основные устройства, вырабатывающие почти всю электроэнергию в мире – это синхронные гидро-, или турбогенераторы.
Устройство генератора переменного тока асинхронного типа отличается разницей частоты вращения ЭДС ω и ротора ω r . Она выражается через коэффициент, называемый скольжением:
s = (ω — ω r)/ ω.
В рабочем режиме магнитное поле тормозит вращение якоря и его частота ниже.
Асинхронный двигатель может работать в генераторном режиме, если ω r >ω, когда ток меняет направление и энергия отдаётся обратно в сеть. Здесь электромагнитный момент становится тормозящим. Применение этого свойства распространено при опусканиях грузов или на электротранспорте.
Асинхронный генератор выбирают, когда требования к электрическим параметрам не очень высокие. При наличии пусковых перегрузок предпочтительней будет синхронный генератор.
Устройство автомобильного генератора ничем не отличается от обычного, вырабатывающего электрический ток. Он вырабатывает переменный ток, который затем выпрямляется.
Как выглядит автомобильный генератор
Конструкция состоит из электромагнитного ротора, вращающегося в двух подшипниках с приводом через шкив. Обмотка у него всего одна, с подачей постоянного тока через 2 медных кольца и графитовые щётки.
Электронное реле-регулятор поддерживает стабильное напряжение 12В, не зависящее от скорости вращения.
Схема автомобильного генератора
Ток от АКБ поступает на обмотку ротора через регулятор напряжения. Момент вращения передаётся ему через шкив и в витках обмотки статора индуктируется ЭДС. Генерируемый трёхфазный ток выпрямляется диодами. Поддерживание постоянного выходного напряжения производится регулятором, управляющим током возбуждения.
Когда двигатель увеличивает обороты, ток возбуждения уменьшается, что способствует поддерживанию постоянного выходного напряжения.
Конструкция содержит двигатель, работающий на жидком топливе, вращающий генератор. Обороты ротора должны быть стабильными, иначе качество выработки электричества снижается. При износе генератора скорость вращения становится ниже, что является существенным недостатком устройства.
Если нагрузка на генератор ниже номинальной, он будет частично работать вхолостую, съедая лишнее топливо.
Поэтому важно при его приобретении сделать точный расчёт требуемой мощности, чтобы он был правильно загружен. Нагрузка ниже 25% запрещается, так как это влияет на его долговечность. В паспортах указаны все возможные режимы работы, которые необходимо соблюдать.
Многие виды классических моделей имеют приемлемые цены, высокую надёжность и большой диапазон мощностей. Важно загружать его как следует и вовремя производить техосмотр. На рисунке ниже представлены модели бензинового и дизельного генераторов.
Классический генератор: а) – бензиновый генератор, б) – дизельный генератор
Генератор приводит в действие двигатель, работающий на дизельном топливе. ДВС состоит из механической части, панели управления, системы подачи топлива, охлаждения и смазки. От мощности ДВС зависит мощность генератора. Если она требуется небольшая, например, на бытовые приборы, целесообразным является применение бензинового генератора. Дизельные генераторы применяются там, где нужна большая мощность.
ДВС применяются в большинстве с верхней установкой клапанов. Они компактней, надёжней, удобны в ремонте, меньше выделяют токсичных отходов.
Генератор предпочитают выбирать с корпусом из металла, поскольку пластик менее долговечный. Устройства без щёток долговечней, а вырабатываемое напряжение более стабильное.
Ёмкость топливного бака обеспечивает работу на одной заправке не более 7 часов. В стационарных установках применяется внешний бак с большим объёмом.
В качестве источника механической энергии наиболее распространён четырёхтактный карбюраторный двигатель. Большей частью применяются модели от 1 до 6 кВт. Есть устройства до 10 кВт, способные обеспечить на определённом уровне загородный дом. Цены бензиновых генераторов являются приемлемыми, а ресурс – вполне достаточным, хотя и меньшим, чем у дизельных.
Генератор выбирается в зависимости от нагрузок.
Для больших пусковых токов и при частом применении электросварки лучше использовать синхронный генератор. Если взять асинхронный генератор мощнее, он справится с пусковыми токами. Однако, здесь важно, чтобы он был загружен, иначе бензин будет расходоваться нерационально.
Машины применяются там, где требуется электроэнергия высокого качества. Они могут работать непрерывно или промежутками. Объектами энергопотребления здесь являются учреждения, где не допускаются скачки напряжения.
Основой инверторного генератора является электронный блок, который состоит из выпрямителя, микропроцессора и преобразователя.
Блок-схема инверторного генератора
Выработка электроэнергии начинается так же, как и в классической модели. Сначала вырабатывается переменный ток, который затем выпрямляется и поступает на инвертор, где снова превращается в переменный, с нужными параметрами.
Типы инверторных генераторов отличаются по характеру выходного напряжения:
Достоинства инверторных генераторов:
Недостатками являются высокие цены, чувствительность к температурным изменениям электронной части, небольшая мощность. Кроме того, дорого обходится ремонт электронного блока.
Инверторная модель выбирается в следующих случаях:
Индукционный генератор переменного тока. В индукционных генераторах переменного тока механическая энергия превращается в электрическую. Индукционный генератор состоит из двух частей: подвижной, которая называется ротором, и неподвижной, которая называется статором. Действие генератора основано на явлении электромагнитной индукции. Индукционные генераторы имеют сравнительно простое устройство и позволяют получать большие токи при достаточно высоком напряжении. В настоящее время имеется много типов индукционных генераторов, но все они состоят из одних и тех же основных частей. Это, во-первых, электромагнит или постоянный магнит, создающий магнитное поле, и, во-вторых, обмотка, состоящая из последовательно соединенных витков, в которых индуцируется переменная электродвижущая сила. Так как электродвижущие силы, наводимые в последовательно соединенных витках, складываются, то амплитуда электродвижущей силы индукции в обмотке пропорциональна числу витков в ней.
Рис. 6.9
|
Число силовых линий, пронизывающих каждый виток, непрерывно меняется от максимального значения, когда он расположен поперек поля, до нуля, когда силовые линии скользят вдоль витка. В результате при вращении витка между полюсами магнита через каждые пол-оборота направление тока меняется на противоположное, и в витке появляется переменный ток. Во внешнюю цепь ток отводится при помощи скользящих контактов. Для этого на оси обмотки укреплены контактные кольца, присоединенные к концам обмотки. Неподвижные пластины – щетки – прижаты к кольцам и осуществляют связь обмотки с внешней цепью (рис. 6.9).
Пусть виток провода вpащается в одноpодном магнитном поле с постоянной угловой скоpостью . Магнитный поток, пронизывающий виток, меняется по закону , здесь S – площадь витка. Согласно закону Фаpадея в обмотке наводится электродвижущая сила индукции, которая опpеделяется следующим обpазом:
где N – число витков в обмотке. Таким образом, электродвижущая сила индукции в обмотке изменяется по синусоидальному закону и пpопоpциональна числу витков в обмотке и частоте вpащения.
В опыте с вращающейся обмоткой статором является магнит и контакты, между которыми помещена обмотка. В больших промышленных генераторах вращается электромагнит, который является ротором, в то время как обмотки, в которых наводится электродвижущая сила, уложены в пазах статора и остаются неподвижными. На тепловых электростанциях для вращения ротора используются паровые турбины. Турбины, в свою очередь, приводятся во вращение струями водяного пара, полученного в огромных паровых котлах за счет сжигания угля или газа (теплоэлектростанции) или распада вещества (атомные электростанции). На гидроэлектростанциях для вращения ротора используются водяные турбины, которые вращаются водой, падающей с большой высоты.
Электрогенераторы играют важнейшую роль в развитии нашей технологической цивилизации, поскольку позволяют получать энергию в одном месте, а использовать ее в другом. Паровая машина, например, может преобразовывать энергию сгорания угля в полезную работу, но использовать эту энергию можно только там, где установлены угольная топка и паровой котел. Электростанция же может размещаться весьма далеко от потребителей электроэнергии – и, тем не менее, снабжать ею заводы, дома и т.п.
Рассказывают (скорее всего, это всего лишь красивая сказка), будто Фарадей демонстрировал прототип электрогенератора Джону Пилу, канцлеру казначейства Великобритании, и тот спросил ученого: «Хорошо, мистер Фарадей, все это очень интересно, а какой от всего этого толк?».
«Какой толк? – якобы удивился Фарадей. – Да вы знаете, сэр, сколько налогов эта штука со временем будет приносить в казну?!»
Трансформатор.
Трансформатор. Электродвижущая сила мощных генераторов электростанций велика, между тем практическое использование электроэнергии требует чаще всего не очень высоких напряжений, а передача энергии, наоборот, очень высоких.
Для уменьшения потерь на нагревание проводов необходимо уменьшить силу тока в линии передачи, и, следовательно, для сохранения мощности увеличить напряжение. Напряжение, вырабатываемое генераторами (обычно около 20 кВ), повышают до напряжения 75 кВ, 500 кВ и даже до напряжения 1,15 МВ, в зависимости от длины линии электропередачи. Повышая напряжение с 20 до 500 кВ, то есть в 25 раз, уменьшают потери в линии в 625 раз.
Преобразование переменного тока определенной частоты, при котором напряжение увеличивается или уменьшается в несколько раз практически без потери мощности, осуществляется электромагнитным устройством, не имеющим подвижных частей – электрическим трансформатором. Трансформатор – важный элемент многих электрических приборов и механизмов. Зарядные устройства и игрушечные железные дороги, радиоприемники и телевизоры – всюду трудятся трансформаторы, которые понижают или повышают напряжение. Среди них встречаются как совсем крошечные, не более горошины, так и настоящие колоссы массой в сотни тонн и более.
Рис. 6.10
|
Трансформатор состоит из магнитопровода, представляющего собой набор пластин, которые обычно изготавливаются из ферромагнитного материала (рис. 6.10). На магнитопроводе располагаются две обмотки – первичная и вторичная. Та из обмоток, которая подключается к источнику переменного напряжения, называется первичной, а та, к которой присоединяют «нагрузку», то есть приборы, потребляющие электроэнергию, называется вторичной. Ферромагнетик увеличивает количество силовых линий магнитного поля приблизительно в 10 000 раз и локализует поток магнитной индукции внутри себя, благодаря чему обмотки трансформатора могут быть пространственно разделены и все же остаются индуктивно связанными.
Действие трансформатора основано на явлениях взаимной индукции и самоиндукции. Индукция между первичной и вторичной обмоткой взаимна, то есть ток, протекающий во вторичной обмотке, индуцирует электродвижущую силу в первичной, точно так же, как первичная обмотка индуцирует электродвижущую силу во вторичной. Более того, поскольку витки первичной обмотки охватывают собственные силовые линии, в них самих возникает электродвижущая сила самоиндукции. Электродвижущая сила самоиндукции наблюдается также и во вторичной обмотке.
Пусть первичная обмотка подсоединяется к источнику переменного тока с электродвижущей силой , поэтому в ней возникает переменный ток , создающий в магнитопроводе трансформатора переменный магнитный поток ? , который сосредотачивается внутри магнитного сердечника и пронизывает все витки первичной и вторичной обмоток.
При отсутствии внешней нагpузки выделяемая в тpансфоpматоpе мощность близка к нулю, то есть близка к нулю сила тока. Применим к первичной цепи закон Ома: сумма электродвижущей силы индукции и напряжения в цепи равна произведению силы тока на сопротивление. Полагая , можно записать: , следовательно, 
, где Ф
– поток пронизывающий каждый виток первичной катушки. В идеальном трансформаторе все силовые линии проходят через все витки обеих обмоток, и поскольку изменяющееся магнитное поле порождает одну и ту же электродвижущую силу в каждом витке, то суммарная электродвижущая сила, индуцируемая в обмотке, пропорциональна полному числу ее витков. Следовательно, 
.
Коэффициент трансформации напряжения равен отношению напpяжения во вторичной цепи к напряжению в первичной цепи. Для амплитудных значений напряжений на обмотках можно записать:
Таким образом, коэффициент трансформации определяется как отношение числа витков вторичной обмотки к числу витков первичной обмотки. Если коэффициент , трансформатор будет повышающим, а если – понижающим.
Написанные выше соотношения, строго говоря, применимы только к идеальному трансформатору, в котором нет рассеяния магнитного потока и отсутствуют потери энергии на джоулево тепло. Эти потери могут быть связаны с наличием активного сопротивления самих обмоток и возникновением индукционных токов (токов Фуко) в сердечнике.
Токи Фуко.
Токи Фуко. Индукционные токи могут возникать также в сплошных массивных проводниках. При этом замкнутая цепь индукционного тока образуется в толще самого проводника при его движении в магнитном поле или под влиянием переменного магнитного поля. Эти токи названы по имени французского физика Ж.Б.Л. Фуко, который в 1855 г. обнаружил нагревание ферромагнитных сердечников электрических машин и других металлических тел в переменном магнитном поле и объяснил этот эффект возбуждением индукционных токов. Эти токи в настоящее время называются вихревыми токами или токами Фуко.
Если железный сердечник находится в переменном магнитном поле, то в нем под действием индукционного электрического поля наводятся внутренние вихревые токи – токи Фуко, ведущие к его нагреванию. Так как электродвижущая сила индукции всегда пропорциональна частоте колебаний магнитного поля, а сопротивление массивных проводников мало, то при высокой частоте в проводниках будет выделяться, согласно закону Джоуля–Ленца, большое количество тепла.
Во многих случаях токи Фуко бывают нежелательными, поэтому приходится принимать специальные меры для их уменьшения. В частности, эти токи вызывают нагревание ферромагнитных сердечников трансформаторов и металлических частей электрических машин. Для снижения потерь электрической энергии из-за возникновения вихревых токов сердечники трансформаторов изготавливают не из сплошного куска ферромагнетика, а из отдельных металлических пластин, изолированных друг от друга диэлектрической прослойкой.
Рис. 6.11
|
Вихревые токи широко используются для плавки металлов в так называемых индукционных печах (рис. 6.11), для нагревания и плавления металлических заготовок, получения особо чистых сплавов и соединений металлов. Для этого металлическую заготовку помещают в индукционную печь (соленоид, по которому пропускают переменный ток). Тогда, согласно закону электромагнитной индукции, внутри металла возникают индукционные токи, которые разогревают металл и могут его расплавить. Создавая в печи вакуум и применяя левитационный нагрев (в этом случае силы электромагнитного поля не только разогревают металл, но и удерживают его в подвешенном состоянии вне контакта с поверхностью камеры), получают особо чистые металлы и сплавы.
Диагностирование генераторной установки переменного тока при помощи USB Autoscope III (осциллограф Посталовского).
ЦЕЛЬ РАБОТЫ : Проверка работоспособности генераторной установки.
1.Изучение принципиальной схемы работы генератора;
2.Изучение этапов подготовки прибора к работе;
3.Изучение порядка работы диагностирования:
4.Проверка работоспособности генераторной установки.
Назначение, устройство и принцип работы генератора.
Генераторная установка предназначена для обеспечения питанием потребителей, входящих в систему электрооборудования, и зарядки аккумуляторной батареи при работающем двигателе автомобиля. Выходные параметры генератора должны быть таковы, чтобы в любых режимах движения автомобиля не происходил прогрессивный разряд аккумуляторной батареи. Кроме того, напряжение в бортовой сети автомобиля, питаемой генераторной установкой, должно быть стабильно в широком диапазоне изменения частоты вращения и нагрузок.
Генераторная установка - достаточно надежное устройство, способное выдержать повышенные вибрации двигателя, высокую подкапотную температуру, воздействие влажной среды, грязи и других факторов.
На современных автомобилях устанавливают генераторы переменного тока. Для нормальной работы имеющихся на автомобиле потребителей тока должно быть стабильное напряжение питания, поэтому независимо от частоты вращения ротора генератора и числа подключенных потребителей напряжение генератора должно быть постоянным. Поддержание постоянства напряжения и защита генератора от перегрузки обеспечиваются прибором, называемым регуляторам напряжения или реле-регулятором.
В зависимости от дорожно-климатических условий и режимов эксплуатации автомобилей напряжение генератора, питающее потребителей, рассчитанных на номинальное напряжение 12 В, должно быть в пределах 13,2 . 15,5 В.
Генератор переменного тока трехфазный, синхронный, с электромагнитным возбуждением, по сравнению с генератором постоянного тока он имеет меньшие металлоемкость и габаритные размеры. При той же мощности он проще по конструкции и отличается большим сроком службы. Синхронным генератор называется потому, что частота вырабатываемого им тока пропорциональна частоте вращения ротора генератора. Удельная мощность генератора переменного тока, т.е. мощность генератора, приходящаяся на единицу его массы, примерно в 2 раза больше, чем у генератора постоянного тока. Это позволяет в 2-3 раза увеличить передаточное число привода генератора, вследствие чего при частоте вращения на режиме холостого хода двигателя генераторы переменного тока развивают до 40 % номинальной мощности, что обеспечивает лучшие условия заряда аккумуляторных батарей и, как следствие, повышение их срока службы. Наряду с этим генераторы переменного тока, несмотря на их различие в номерах серий, по многим моделям легковых и грузовых автомобилей соответственно унифицированы и имеют ряд взаимозаменяемых деталей (приводные шкивы, крыльчатки, подшипники и др.), а по устройству не имеют принципиальных различий.
Принцип действия генератора.
В основе работы генератора лежит эффект электромагнитной индукции. Если катушку например, из медного провода, пронизывает магнитный поток, то при его изменении на выводах катушки появляется переменное электрическое напряжение. И наоборот, для образования магнитного потока достаточно пропустить через катушку электрический ток.
Таким образом, для получения переменного электрического тока требуются катушка, по которой протекает постоянный электрический ток, образуя магнитный поток, называемая обмоткой возбуждения и стальная полюсная система, назначение которой - подвести магнитный поток к катушкам, называемым обмоткой статора, в которых наводится переменное напряжение.
Эти катушки помещены в пазы стальной конструкции, магнитопровода (пакета железа) статора. Обмотка статора с его магнитопроводом образует собственно статор генератора, его важнейшую неподвижную часть, в которой образуется электрический ток, а обмотка возбуждения с полюсной системой и некоторыми другими деталями (валом, контактными кольцами) - ротор, его важнейшую вращающуюся часть.
При вращении ротора напротив катушек обмотки статора появляются попеременно "северный", и "южный" полюсы ротора, т. е. направление магнитного потока, пронизывающего катушку, меняется, что и вызывает появление в ней переменного напряжения.
Обмотка статора генераторов зарубежных фирм, как и отечественных - трехфазная. Она состоит из трех частей, называемых обмотками фаз или просто фазами, напряжение и токи в которых смещены друг относительно друга на треть периода, т. е. на 120 электрических градусов. Фазы могут соединяться в "звезду" или "треугольник".
Устройство генератора.
По своему конструктивному исполнению генераторные установки можно разделить на две группы - генераторы традиционной конструкции с вентилятором у приводного шкива и генераторы так называемой компактной конструкции с двумя вентиляторами во внутренней полости генератора. Обычно "компактные" генераторы оснащаются приводом с повышенным передаточным отношением через поликлиновый ремень и поэтому по принятой у некоторых фирм терминологии, называются высокоскоростными генераторами. При этом внутри этих групп можно выделить генераторы, у которых щеточный узел расположен во внутренней полости генератора между полюсной системой ротора и задней крышкой и генераторы, где контактные кольца и щетки расположены вне внутренней полости. В этом случае генератор имеет кожух, под которым располагается щеточный узел, выпрямитель и, как правило, регулятор напряжения.
Устройство генератора показано на фото. Корпус (5) и передняя крышка генератора (2) служат опорами для подшипников (9 и 10), в которых вращается якорь (4). На обмотку возбуждения якоря напряжение от аккумулятора подается через щетки (7) и контактные кольца (11). Якорь приводится в движение посредством клинового ремня через шкив (1). При запуске двигателя, как только якорь начинает вращаться, создаваемое им электромагнитное поле индуцирует переменный электрический ток в обмотке статора (3). В выпрямительном блоке (6) этот ток становится постоянным. Далее ток через совмещенный с выпрямительным блоком регулятор напряжения поступает в электросеть автомобиля для питания системы зажигания, освещения и сигнализации, контрольно-измерительных приборов и др. Аккумуляторная батарея подключится к числу этих приборов и начнет подзаряжаться чуть позднее, как только электроэнергии, вырабатываемой генераторной установкой, станет достаточно, чтобы обеспечить бесперебойное функционирование всех потребителей.
Меры предосторожности
Эксплуатация генераторной установки требует соблюдения некоторых правил, связанных, главным образом, с наличием в них электронных элементов.
1. Не допускается работа генераторной установки с отключенной аккумуляторной батареей. Даже кратковременное отсоединение аккумуляторной батареи при работающем генераторе может привести к выходу элементов регулятора напряжения из строя.
При полностью разряженной аккумуляторной батарее машину невозможно завести, даже если катать ее на буксире: АКБ не дает тока возбуждения, и напряжение в бортовой сети остается близким к нулю. Помогает установка исправной заряженной батареи, которая затем при работающем двигателе меняется на прежнюю, разряженную. Чтобы избежать выхода из строя элементов регулятора напряжения (и подключенных потребителей) из-за повышения напряжения, на время перестановки батарей необходимо включить мощные потребители электроэнергии, таких, как обогрев заднего стекла или фары. В дальнейшем за полчаса-час работы двигателя на 1500-2000 об/мин разряженная батарея (если она исправна) зарядится достаточно для того, чтобы завести двигатель.
2. Не допускается подсоединение к бортовой сети источников электроэнергии обратной полярности (плюс на "массе"), что может произойти, например, при запуске двигателя от посторонней аккумуляторной батареи.
Похожая информация.
