Виды электрических генераторов и принципы их работы
Электрическим генератором называется машина или установка, предназначенная для преобразования энергии неэлектрической — в электрическую: механической — в электрическую, химической — в электрическую, тепловой — в электрическую и т. д. Сегодня в основном, произнося слово «генератор», мы имеем ввиду преобразователь механической энергии — в электрическую.
Это может быть дизельный или бензиновый переносной генератор, генератор атомной электростанции, автомобильный генератор, самодельный генератор из асинхронного электродвигателя, или тихоходный генератор для маломощного ветряка. В конце статьи мы рассмотрим в качестве примера два наиболее распространенных генератора, но сначала поговорим о принципах их работы.
Так или иначе, с физической точки зрения принцип работы каждого из механических генераторов — один и тот же: явление электромагнитной индукции, когда при пересечении линиями магнитного поля проводника — в этом проводнике возникает ЭДС индукции. Источниками силы, приводящей к взаимному перемещению проводника и магнитного поля, могут быть различные процессы, однако в результате от генератора всегда нужно получить ЭДС и ток для питания нагрузки.
Принцип работы электрического генератора — Закон Фарадея
Принцип работы электрического генератора был открыт в далеком 1831 году английским физиком Майклом Фарадеем. Позже этот принцип назвали законом Фарадея. Он заключается в том, что при пересечении проводником перпендикулярно магнитного поля, на концах этого проводника возникает разность потенциалов.
Первый генератор был построен самим Фарадеем согласно открытому им принципу, это был «диск Фарадея» — униполярный генератор, в котором медный диск вращался между полюсами подковообразного магнита. Устройство давало значительный ток при незначительном напряжении.
Позже было установлено, что отдельные изолированные проводники в генераторах проявляют себя гораздо эффективнее с практической точки зрения, чем сплошной проводящий диск. И в современных генераторах применяются теперь именно проволочные обмотки статора (в простейшем демонстрационном случае — виток из проволоки).
Генератор переменного тока
В подавляющем своем большинстве современные генераторы — это синхронные генераторы переменного тока. У них на статоре располагается якорная обмотка, от которой и отводится генерируемая электрическая энергия. На роторе располагается обмотка возбуждения, на которую через пару контактных колец подается постоянный ток, чтобы получить вращающееся магнитное поле от вращающегося ротора.
За счет явления электромагнитной индукции, при вращении ротора от внешнего привода (например от ДВС), его магнитный поток пересекает поочередно каждую из фаз обмотки статора, и таким образом наводит в них ЭДС.
Чаще всего фаз три, они смещены физически на якоре друг относительно друга на 120 градусов, так получается трехфазный синусоидальный ток. Фазы можно соединить по схеме «звезда» либо «треугольник», чтобы получить стандартное сетевое напряжение.
Частота синусоидальной ЭДС f пропорциональна частоте вращения ротора: f = np/60, где — p — число пар магнитных плюсов ротора, n – количество оборотов ротора в минуту. Обычно максимальная скорость вращения ротора — 3000 оборотов в минуту. Если подключить к обмоткам статора такого синхронного генератора трехфазный выпрямитель, то получится генератор постоянного тока (так работают, кстати, все автомобильные генераторы).
Упрощенная схема трехфазного генератора переменного тока:
Трехмашинный синхронный генератор
Конечно, у классического синхронного генератора есть один серьезный минус — на роторе располагаются контактные кольца и щетки, прилегающие к ним. Щетки искрят и изнашиваются из-за трения и электрической эрозии. Во взрывоопасной среде это не допустимо. Поэтому в авиации и в дизель-генераторах более распространены бесконтактные синхронные генераторы, в частности — трехмашинные.
У трехмашинных устройств в одном корпусе установлены три машины: предвозбудитель, возбудитель и генератор — на общем валу. Предвозбудитель — это синхронный генератор, он возбуждается от постоянных магнитов на валу, генерируемое им напряжение подается на обмотку статора возбудителя.
Статор возбудителя действует на обмотку на роторе, соединенную с закрепленным на ней трехфазным выпрямителем, от которого и питается основная обмотка возбуждения генератора. Генератор генерирует в своем статоре ток.
Газовые, дизельные и бензиновые переносные генераторы
Сегодня очень распространены в домашних хозяйствах дизельные, газовые и бензиновые генераторы, которые в качестве приводных двигателей используют ДВС — двигатель внутреннего сгорания, передающий механическое вращение на ротор генератора.
У генераторов на жидком топливе имеются топливные баки, газовым генераторам — необходимо подавать топливо через трубопровод, чтобы затем газ был подан в карбюратор, где превратится в составную часть топливной смеси.
Во всех случаях топливная смесь сжигается в поршневой системе, приводя во вращение коленвал. Это похоже на работу автомобильного двигателя. Коленвал вращает ротор бесконтактного синхронного генератора (альтернатора).
Лучшие инверторные генераторы домашних электростанций имеют встроенный аккумулятор для компенсации перепадов и систему двойного преобразования, у таких устройств переменное напряжение получается более стабилизированным.
Автомобильные генераторы
Еще один пример генератора переменного тока — самый распространенный в мире вид генератора — автомобильный генератор. Данный генератор традиционно содержит обмотку возбуждения с контактными кольцами на роторе и трехфазную обмотку статора с выпрямителем.
Встроенный электронный регулятор удерживает напряжение в допустимых для автомобильного аккумулятора пределах. Автомобильный генератор — высокооборотный генератор, его обороты могут достигать 9000 в минуту.
Хотя изначально ток получается переменным (полюсные наконечники ротора поочередно и в разной полярности пересекают своими магнитными потоками три фазы обмотки статора), затем он выпрямляется диодами и превращается в постоянный, пригодный для зарядки аккумулятора.
Необычные конструкции электрических генераторов:
Источник
Типы бензогенераторов и дизельных электрогенераторов
Бензиновые и дизельные электрогенераторы — это устройства, преобразующие механическую энергию вращения вала двигателя внутреннего сгорания в электрическую энергию. Они используются в качестве временного или постоянного источника электропитания.
При разговоре об автономных устройствах, генерирующих электроэнергию, оперируют выражениями «электрогенератор» и «электростанция». Четкого разграничения между этими терминами нет, однако когда говорят об электростанциях, чаще подразумевают довольно мощные устройства (свыше 15-20 кВт), предназначенные для непрерывной работы. Когда же говорят об электрогенераторах, то имеют в виду сравнительно маломощные мобильные агрегаты, используемые в качестве резервного (аварийного) источника питания.
Принцип работы электрогенераторов основывается на явлении электромагнитной индукции, которое проявляется в следующем. При вращении замкнутого проводника в магнитном поле, в нем возникает электрический ток (электродвижущая сила — ЭДС). Величина ЭДС зависит от длины проводника, плотности магнитного поля, скорости его пересечения и угла, под которым пересекаются магнитные силовые линии.
Устройство бензиновых и дизельных электрогенераторов
Для создания магнитного поля ротор может быть сделан из постоянных магнитов (асинхронные генераторы) или иметь обмотку, на которую подается ток для создания магнитного поля (синхронные генераторы). А меняя количество полюсов у ротора можно получать требуемую частоту напряжения (50 Гц) при разных оборотах двигателя. Например, чтобы получить частоту напряжения 50 Гц в схеме изображенной выше, ротор должен вращаться со скоростью 3000 об/мин, а в схеме изображенной ниже — 1500 об/мин.
Схема трехфазного генератора не намного сложнее:
Таким образом, при вращении ротора двигателем внутреннего сгорания, в обмотках статора индуцируется электродвижущая сила создающая в них переменное напряжение, используемое для питания того или иного прибора — потребителя энергии.
На рисунке ниже представлен компактный бензиновый генератор мощностью 2,75 кВА.
Трехфазные и однофазные
Используя трехфазный электрогенератор, следует принимать во внимание такое явление, как перекос фаз. Необходимо соблюдать примерное равенство (отличающееся не более чем на 20-25%) суммы мощностей приборов, подключенных к разным фазам, при этом необходимо, чтобы нагрузка на одну фазу не превышала 1/3 мощности генератора.
Кроме трехфазных генераторов на 380В, существуют и трехфазные на 220В. Они используются только для освещения. Включившись между фазой и нулем можно получить напряжение 127В.
Многие модели генераторов могут выдавать напряжение 12В.
Синхронные и асинхронные
Это позволяет обеспечить конструктивную простоту и надежность устройства, закрытость его корпуса и защищенность от пыли и влаги. Однако достигается это ценой плохой способности переносить пусковые нагрузки, возникающие при запуске оборудования с реактивной мощностью, к которым относятся, в частности, электродвигатели. Поэтому асинхронные устройства лучше всего использовать для работы с активной нагрузкой.
Синхронный генератор имеет обмотки на якоре, на которые подается электрический ток.
Меняя его величину, изменяют магнитное поле и, соответственно, выходное напряжение на статорных обмотках. Регулировка выходных параметров осуществляется с помощью обратной связи по напряжению и току, реализованной в виде простой электросхемы. Благодаря этому синхронный генератор обеспечивает поддержание напряжения в сети с большей точностью чем асинхронный и легко переносит кратковременные пусковые нагрузки.
К недостаткам синхронных генераторов относится наличие щеточного узла на роторе, через который на него подается ток. Щетки в процессе эксплуатации перегреваются и выгорают, ухудшается их прилегание, повышается сопротивление, приводящее к дальнейшему перегреву узла. Кроме этого, искрение подвижного контакта создает радиопомехи.
Современные модели синхронных генераторов оснащены бесщеточными системами возбуждения на роторной обмотке. Они не имеют недостатков, связанных с наличием щеточного узла.
Синхронные альтернаторы устанавливают на большинстве генераторов.
Инверторные генераторы
Форма напряжения изображенная голубым цветом — это не исключение, а повсеместная реальность. К инверторному генератору с таким напряжением не только компьютер нельзя подключать, но и лампочки. Перед покупкой нужно обязательно выяснить, на сколько форма напряжения на выходе близка к синусоиде, т.к. даже дороговизна и известность фирмы не являются гарантией, что изготовитель не сэкономил на деталях.
Высокое качество формы напряжения на выходе достигается не только инвертором но и использованием трехфазного генератора вместо однофазного, так как при этом уже сразу после выпрямителя (шаг 2) получается намного более ровный сигнал.
Использование правильных бензогенераторов инверторного типа способствует сохранности и долгой службе всей электроники, требующей качественного напряжения. Помимо этого данные типы бензогенераторов обладают малым весом, небольшими габаритами, сниженным уровнем шума. Вдобавок ко всем достоинствам, бензогенераторы инверторы позволяют осуществлять регулирование скорости вращения двигателя в зависимости от нагрузки, что дает возможность экономить топливо.
Ведь большинство бытовых генераторов минимум 70% времени работают с минимальной нагрузкой. Обычные бензиновые генераторы должны в любом режиме работы поддерживать 3000 об/мин (чтобы частота тока была 50 Гц). В режиме минимальной нагрузки они хотя и потребляют меньше топлива, но незначительно. Инверторный генератор лишен этого ограничения и при минимальной нагрузке может сбрасывать обороты до 1000-1200 об/мин. За счет этого потребляя в этом режиме в 2-3 раза меньше топлива чем обычный генератор. А благодаря меньшей скорости вращения двигателя генератор меньше шумит.
Минусами инверторных генераторов по сравнению с обычными являются:
- Высокая стоимость. Если цена инверторного бензогенератора ненамного больше обычного, то скорее всего синусоиды напряжения на выходе нет.
- Отсутствие (за редким исключением) моделей с мощностью выше 7 кВт.
- Меньшая надежность. Как известно с усложнением оборудования снижается его надежность. Плюс электроника инверторного генератора может не выдержать пусковых токов от двигателей подключаемого оборудования, например насоса.
Бензиновые электрогенераторы
Работают они на топливе А-92 или А-95 и используются в основном в качестве резервного источника питания при временном отключении электроэнергии или для питания электроинструмента в местах отсутствия электросети.
Ресурс бензиновых электрогенераторов относительно невелик — 500-2500 моточасов (самый маленький ресурс у генераторов с двухтактным двигателем). Однако некоторые модели, в которых установлены четырехтактные двигатели с чугунными цилиндрами, верхним расположением клапанов и подачей масла к трущимся деталям под давлением могут достигать ресурса в 4000 и более моточасов.
Двухтактные и четырехтактные. Двигатели бензогенераторов могут быть двухтактными и четырехтактными. Их различие обусловлено общими конструктивными особенностями 2-х и 4-тактных двигателей — т.е. преимуществами вторых по отношению к первым по экономичности и сроку службы.
Электрогенераторы с двухтактными двигателями обладают меньшими размерами и весом, их используют только в качестве резервных источников питания — из-за их невысокого ресурса, составляющего около 500 часов.
Бензогенераторы с 4-тактными двигателями предназначены для гораздо более активного использования. В зависимости от конструкции их срок службы может достигать 4000 и более моточасов.
Конструктивные особенности. К особенностям конструкции двигателя внутреннего сгорания (ДВС) бензинового генератора, влияющим на его ресурс, относится марка материала, из которого изготовлен блок цилиндров, расположение клапанов, режим подачи масла к трущимся деталям.
Генераторы с алюминиевым блоком цилиндров стоят недорого, однако и ресурс их невелик — около 500 часов. Двигатели с чугунными цилиндрами и боковым расположением клапанов имеют ресурс около 1500 часов. Генераторы с ДВС, имеющим чугунные цилиндры, верхнее расположение клапанов и подачу масла к трущимся деталям под давлением, кроме большого ресурса (около 3000 часов) имеют сниженный расход топлива и низкий уровень шума. Однако и стоят они значительно дороже первых вариантов.
Преимущество верхнеклапанной компоновки обусловлено тем, что она позволяет уменьшить площадь поверхности камеры сгорания и соответственно нагрев деталей двигателя. Кроме этого, увеличивается степень сжатия, приводящая к повышению эффективности двигателя. Верхнее расположение клапанов обозначается аббревиатурой OHV (overhead-valve, см. фото выше).
Бензиновые генераторы могут быть одноцилиндровыми или двухцилиндровыми. Генераторы с четырехтактным V-образным двухцилиндровым двигателем относятся к мощным агрегатам.
Достоинства и недостатки бензиновых электрогенераторов. Помимо относительной легкости и компактности, к достоинствам бензогенераторов относится дешевизна, меньший уровень шума (чем у дизельных), способность без проблем работать на морозе.
Меньший уровень шума (электрогенератор с двухтактным бензиновым двигателем значительно шумнее, чем с четырехтактным) объясняется общими особенностями работы бензинового двигателя внутреннего сгорания. Однако бензогенератор все равно сильно шумит, и тихим его может сделать кожух со звукоизоляцией.
Но главным преимуществом бензиновых генераторов по сравнению с дизельными, является меньшая цена.
К недостаткам относят относительно невысокий ресурс и повышенный расход бензина (в сравнении с дизтопливом у дизельных генераторов).
Что касается ресурса, то его можно продлить своевременным и качественным техобслуживанием и использованием качественного топлива. Необходимо своевременно менять, масло, фильтры, свечи, контролировать затяжку болтовых соединений и т.д.
Дизельные генераторы
Дизельные генераторы имеют мощность широкого диапазона — от 2 до 200 кВт и более.
Впечатляющим является и ресурс их работы. Он зависит от конструкции и параметров генератора (в основном от числа оборотов и типа охлаждения) и может варьироваться в большом диапазоне — от 3000 до 30000 и более моточасов.
При эксплуатации дизельного генератора важно знать, что работа на малых нагрузках или холостом ходу вредна для дизельных двигателей. Так в инструкции по эксплуатации может встретиться требование не работать на холостом ходу более 5 мин, а с нагрузкой 20% работать не более 1 часа (цифры могут быть другими, например 40%). При этом запускается генератор на холостом ходу. Есть рекомендации, в виде профилактического мероприятия каждые 100 часов работы осуществлять стопроцентную загрузку, продолжительностью около 2-х часов. Так как воспламенение топлива в дизельном двигателе происходит за счёт высокой температуры в конце такта сжатия воздуха и подачи топлива в нужный момент, а на холостом ходу снижается средняя температура цикла, это приводит к нарушению процесса смесеобразования, сгорания в цилиндре и неполному сгоранию топлива. Что, в свою очередь, приводит к образованию стойких отложений в цилиндре, выхлопном коллекторе, закоксовыванию форсунки, разжижению масла в картере двигателя несгоревшим топливом и нарушению работы системы смазки.
Число оборотов. По числу оборотов дизельные генераторы подразделяются на низкооборотные (1500 об/мин) и высокооборотные (3000 об/мин). Первые обладают более высокими эксплуатационными достоинствами. Имеют низкие расход топлива и уровень шума, высокий ресурс. Используются обычно в качестве постоянного источника электроэнергии при отсутствии таковой. К их недостаткам относят высокую цену.
Генераторы с высокооборотными двигателями имеют больший расход топлива в сравнении с низкооборотными, повышенный уровень шума и меньший ресурс. Основным их достоинством является низкая цена.
Пониженный ресурс высокооборотных генераторов объясняется просто. Интенсивность износа зависит от числа оборотов вала, чем она выше, тем выше износ.
Охлаждение. Охлаждение двигателя у дизельных электрогенераторов может быть воздушным или жидкостным. Устройства с воздушным охлаждением — это в основном генераторы малой (до 10 кВт) мощности с числом оборотов 3000. Дизельные генераторы с жидкостным охлаждением (вода или тосол) — это большие стационарные модели. По своей сути это — электростанции, обычно они являются низкооборотными (1500 об/мин), однако бывают и высокооборотными (3000 об/мин).
Достоинства и недостатки дизельных генераторов. В числе основных достоинств дизельных генераторов — высокая мощность, стабильные параметры производимой электроэнергии, низкий расход дизельного топлива (значительно ниже, чем расход бензина у бензогенераторов) и высокий эксплуатационный ресурс. Стоит отметить и малую пожароопасность, обусловленную типом топлива. Именно эти достоинства делают их наиболее подходящими для постоянной эксплуатации в условиях отсутствия электросетей.
Среди недостатков — высокая стоимость в сравнении с бензиновыми генераторами, большая масса, высокий уровень шума, более тяжелый ручной старт, невозможность завести в мороз без предварительного нагрева, недопустимость работы с нагрузкой менее 20-40%, относительно сложный и дорогой ремонт. Хотя, что касается последнего, то этот недостаток вполне может компенсироваться надежностью и долговечностью дизель-генераторов. А высокий уровень шума имеет место главным образом при работе на холостых оборотах. При работе под нагрузкой этот недостаток проявляется в гораздо меньшей степени.
Сочетание недостатков и достоинств дизельных двигателей определяют область их применения — т.е. высокую целесообразность использования в качестве постоянных источников напряжения и гораздо меньшую — в качестве резервных при кратковременных отключениях электроэнергии.
Если дизель-генератор эксплуатируется длительное время в качестве основного источника электроэнергии, то в конечном итоге благодаря экономии топлива он способен сэкономить средства его владельцу, — невзирая на более высокую цену.
Так что дизельный генератор для дачи, в большинстве случаев — это не вариант. Так как чаще всего генератор для дачи покупается в качестве резервного источника электроэнергии и небольшой мощности, а дизельные генераторы наиболее эффективны как постоянные и/или мощные источники энергии.
Газовые генераторы
Существует несколько разновидностей газовых генераторов: работающие на сжиженном газе (смеси пропана и бутана, обозначаются аббревиатурой LPG — Liquefied Petroleum Gas), на метане (на сетевом газе, NG — Natural Gas), сжиженном и сетевом газе (LPG/NG), универсальные газовые бензогенераторы изначально приспособленные работать на сжиженном газе и бензине.
Достоинства и недостатки газовых генераторов. Газовые электрогенераторы имеют некоторые преимущества перед бензиновыми и дизельными.
Ресурс работы электрогенератора на газу выше, чем бензинового. Это связано с тем, что при сгорании газа образуется меньше веществ, вызывающих износ деталей двигателя, и не происходит смыва пленки масла с рабочих поверхностей цилиндров и поршней при запуске двигателя.
Работа газовых электрогенераторов легко поддается автоматизации — из-за особенностей топлива. При подключении генераторов к газовой сети исчезает необходимость его пополнения.
К недостаткам можно отнести потенциальную взрывоопасность газа и необходимость использовать баллоны (или иметь подведенный сетевой газ).
Источник