в чем преимущество и недостатки генератора переменного и постоянного тока
Генераторы тока: переменного и постоянного
Что такое генератор тока
В чем разница между постоянным и переменным током
Автор статьи и специалисты Mototech прекрасно осведомлены о том, что и постоянный ток может иметь практически любое напряжение (например, 380 Вольт на шине постоянного тока в ИБП), так же как и переменный ток для узких задач.
Полюсов может быть несколько (число минусов и плюсов всегда идентично). Поэтому сегодня потребитель может купить электростанцию необходимой мощности и обеспечить электричеством как дом, так и промышленный объект.
Конструктивной разницы в статоре и роторе между устройствами постоянного и переменного тока нет. Практически идентичны и силовые рамы. Существенное отличие в комплектации коммуникационного узла. Каждый выход механизма помимо щеток оснащен токопроводящими кольцами. «Закольцованный» ток движется по синусоиде и несколько раз в секунду достигает пика мощности. По типу устройства, характеристикам и принципу работы современные генераторы переменного тока делятся на синхронные и асинхронные.
Специфика синхронного устройства: скорость вращения ротора равна скорости вращения магнитного поля в рабочем зазоре.
Такие агрегаты могут быть однофазными и трехфазными.
Такая схема работает в простейшей конструкции, с одним плюсом и минусом, если положительных/отрицательных точек больше, ЭДС и ориентировочное количество электроэнергии рассчитываются по формуле.
Минус: на большую мощность при использовании устройств такого типа рассчитывать не стоит.
Устройства такого типа преобразуют механику в электроэнергию, вращая проволочную катушку в магнитном поле. Ток вырабатывается, когда силовые линии пересекают обмотку. До тех пор, пока магнитное поле соприкасается с проводником, в нем индуцируется электроток.
Идентичный принцип действует и в случае, если рамка вращается относительно магнита, пересекая силовые линии.
В электростанциях с синусоидальной подачей тока отсутствует реактивная мощность. То есть весь запас электроэнергии (с вычетом потерь на проводах) расходуется на нужды потребителя, а не на поддержание работоспособности устройства.
Дополнительное преимущество: агрегаты с трехфазным питанием можно использовать для питания высоковольтных потребителей.
Мototech специализируется на продаже электростанций различного типа. Поможем выбрать оптимальный вариант электростанции мощностью от 5 до 6000 кВА и конечно же, это будут электростанции переменного тока. Мы обеспечим сопроводительные строительные и электромонтажные работы, грамотную пуско-наладку и обслуживание устройств. С клиентами работают сотрудники с энергетическим образованием, поэтому квалифицированную информацию, ответы на вопросы и правильные расчеты характеристик в соответствии с вашими потребностями гарантируем.
Плюсы и минусы генератора постоянного тока
Источники электроэнергии, в которых преобразуется механическая энергия в электрическую, называют генераторами постоянного тока. В начале развития электрификации, такие агрегаты являлись единственными, но постепенно были заменены на более совершенные и надежные с переменным типом выработки энергии. Многие отрасли из-за требований производства оставили работу своих механизмов на постоянном токе, для чего создавались новые разработки для генерации электромагнитных волн.
Конструктивные особенности генераторов
В переводе с латинского «генерация» означает «рождение». Инженеры энергетики используют такое название для обозначения принципа образования электроэнергии.
Энергия — это движение материи, когда она переходит из одной формы в другую:
Устройства стали называть генераторами, где преобразуется кинетическая энергия вращения в электричество. Такие приспособления могут вырабатывать как постоянный, так и переменный ток. В основу работы генераторов взяли электромагнитную индукцию, которая подает электродвижущую силу на однородное магнитное поле, где находится прямоугольный контур или проволочная рамка. Когда она вращается, её стороны проходят возле магнитных полюсов. При этом токи меняют направления, так как около южного или северного полюса вынуждены занять его позицию.
Для выработки постоянного тока создают специальную рамку, чтобы она держала направление с неизменной величиной напряжения. В генераторе постоянного тока к основным элементам относят:
Якоря генераторов приводят в движения двигатели. Подобные устройства нашли применение в металлургии, используют их на различных видах транспорта.
Положительные свойства
К достоинствам генераторов, которые предоставляют энергию двигателям постоянного тока для различных технических установок, принадлежат:
Работа двигателя в любом механизме в основном зависит от правильной подборки генератора. Так дизельные агрегаты позволили применять их на объектах:
Где техника бесперебойно функционирует в экстремальных климатических зонах:
Такие установки служат вспомогательным или постоянным источником энергии, чтобы:
Генераторы, собранные на заводах не нужно дополнительно настраивать на работу.
Недостатки установок
Все минусы механизмов постоянного тока зависят от сферы их применения. Так автомобильные генераторы наделены рядом недостатков:
Раньше на железнодорожном транспорте использовали только тяговые генераторы постоянного тока. Сейчас их стали менять на синхронные трехфазные устройства, где выпрямление переменного тока происходит на полупроводниковых установках.
Минусы дизельных электростанций поглотили плюсы, оставив:
Когда такие установки приобретаются для постоянного использования, происходит быстрая окупаемость устройств мобильным электроснабжением.
Какой можно сделать вывод
Каждое техническое оборудование полезно для своего времени и места. Ни у кого не вызовет сомнений, как помогают в больницах генераторы постоянного тока. Если выключают электроэнергию во время операции, сразу вступает в действие мобильная установка. Оказывают незаменимую помощь электростанции в местах, которые подверглись разрушению от военных действий. Генератором предоставляется питание для многих приборов полезных человеку.
Использовать их может:
Работают такие аппараты на бензине или солярке. Бензиновый или дизельный агрегат вырабатывает электричество, которое хорошо использовать в отдаленных районах, где постоянные перебои со светом. В сельской местности генераторы помогают не только освещать, но и отапливать:
Следует учесть обратимость электрических машин, они могут работать в 2 режимах, быть:
Каждый руководитель выбирает наиболее выгодное для его производства оборудование. В быту хозяин определяет, какой мощности понадобится для его подворья генератор. Причиной такого приобретения может служить отсутствие стационарного электроснабжения региона, а также компактность техники по размерам, высокая надежность несложных схем, увеличивающих сроки эксплуатации.
Изучаем генераторы постоянного и переменного тока
Работа электронного оборудования, бытовых электрических сетей и автомобилей прямо зависит от генераторов. Статья подробно раскроет тему, что такое генераторы постоянного и переменного тока. Будет описан каждый тип этих устройств, разновидности, принцип работы.
Принцип работы
Простейший генератор переменного тока состоит из следующих частей:
Работает простой альтернатор по следующему принципу:
Рамка, осуществляя одно полное вращение, дважды пересекает магнитное поле. Таким образом направленность ЭДС меняется на противоположную. Смена направленности ЭДС приводит к возникновению синусоидального или переменного тока.
В таком эксперименте прослеживается не только смена направленности ЭДС, но и полная потеря электрического напряжения. Для того чтобы этот эффект сошел на нет, генератор переменного тока оснащается приводом. Привод используется для постоянного вращения якоря генератора, с целью минимизации потери напряжения и поддержания его на заданном уровне. Генераторы приводятся в действие несколькими способами. Это может быть двигатель внутреннего сгорания, передаточное вращение от энергии воды, пара, сжигания нефти или газа, энергия ветра.
Генераторы переменного тока
Генераторы переменного тока устроены и работают по принципу простейшего экспериментального альтернатора. Эти устройства состоят из следующих элементов:
Работает такой генератор по следующему принципу:
Генераторы переменного тока имеют множество разновидностей. Они отличаются по:
Также генераторы могут отличаться по способу эксплуатации. Они бывают стационарными или переносными.
Преимущества
Преимущество генераторов переменного тока заключается в следующем:
Достоинство генераторов переменного тока состоит еще и в том, что на их основе можно легко создать устройство для выработки постоянного тока.
Недостатки таких устройств следующие:
Генераторы постоянного тока
Устройство генератора постоянного тока ничем не отличается от устройства, которое вырабатывает переменный ток. Первые генераторы постоянного тока отличались только наличием полуколец для отвода электрического тока. Принцип их работы заключался в том, что щеткой снималось напряжение только определенного полюса. Например, одна снимала только «+», а вторая только минус. Таким образом в цепь передавался постоянный ток. Главным недостатком таких устройств является высокая зависимость напряжения от частоты оборотов якоря. При снижении оборотов напряжение падает, а при увеличении стабилизируется на необходимом уровне. Но высокое число оборотов приводит к разбалансировке якоря, быстрой выработке самих щеток и удерживающих якорь подшипников.
Для получения постоянного тока с малым напряжением используются генераторы с выпрямителем или диодным мостом. Конструктивно этот механизм относится к генераторам асинхронного типа.
Принцип преобразования переменного тока в постоянный на примере автомобильного генератора постоянного тока:
Таким образом происходит сглаживание синусоиды. Через открытую сторону каждого диода проходит только ток положительного значения. На выходе с диодов снимается только положительное значение или «+». В схеме может присутствовать 6 или 8 диодов. Каждая пара диодов называется плечом. 8 полупроводников используются для схемы типа «звезда». Дополнительная пара подключается к нулевому контакту на статоре. Такие выпрямители более мощные. Они обеспечивают примерно на 15 % больше напряжения во время работы на холостом ходу.
Также существуют схемы, в которых может быть задействовано до 11 диодов. Такие генераторы получают питание регулятора и обмоток за счет дополнительных пар полупроводников.
В таких генераторах имеется электронное реле выпрямителя. Это устройство обеспечивает контроль выработанного напряжения, сглаживает скачки напряжения, предотвращает нагрев обмотки и возникновение нагрузок при коротких замыканиях.
Недостаток таких механизмов только в разбалансировке вала и стирании щеток при больших, неконтролируемых оборотах.
Различия
Далее необходимо будет разобраться, в чем основные отличия генераторов переменного и постоянного тока. Они заключаются в следующем:
Например, автомобильный генератор не может заряжать аккумулятор при работе на холостом ходу. В этом режиме двигатель машины вращается с частотой 800 оборотов/мин. Таких оборотов не хватает, чтобы выработать зарядный ток достаточной мощности.
Использование электрических машин, вырабатывающих постоянный ток не является целесообразным. Это связано с тем, что они менее надежные. Гораздо менее затратными являются устройства для выработки переменного напряжения, которые оснащены выпрямителями. Такой механизм может работать практически на любых оборотах с сохранением нужного напряжения и имеет защиту от перегрузок. Габариты такого устройства будут намного меньше, при том что выходная мощность устройств будет одинаковой.
Заключение
Переменные и постоянные генераторы имеют схожую конструкцию. Отличаются они только необходимостью преобразования тока из одного значения в другое. Генераторы постоянного тока при этом имеют более сложную схему, и во время их работы требуется контроль со стороны человека.
Видео по теме
Постоянный и переменный ток: преимущества и недостатки
Какой электрический ток лучше: постоянный или переменный ток? Чтобы дать ответ на данный вопрос нужно оценить их преимущества и недостатки по следующим основным направлениям: выработка, передача, распределение и потребление электроэнергии. Проще говоря, нужно ответить на следующие вопросы. Какой род тока проще и дешевле получить, затем передать его на большое расстояние, после чего распределить электроэнергию между потребителями. Потребители какого рода энергии более эффективны?
Сегодня преимущественное большинство электрической энергии, добываемой или генерируемой в мире, выпадет на переменный ток. И в первую очередь это связано с тем, что переменный ток проще преобразовывать из более низкого напряжения в более высокое и наоборот, то есть он проще в трансформации.
Место производство электрической энергии большой мощности, к сожалению пока что невозможно базировать в тех местах, где хотелось бы, то есть непосредственно рядом с потребителями. Например, мощную гидроэлектростанцию можно соорудить только на полноводной реке и то не в каждом месте. А конечный потребитель может находиться на расстоянии сотни и тысячи километров от электростанции. Поэтому очень важно обеспечить такие условия, чтобы минимизировать потери мощности в проводах линии электропередачи ЛЭП. В этом случае потери электроэнергии снижаются с ростом напряжения. Давайте остановимся на этом более подробно. Предположим, имеется некая электростанция, а точнее ее генератор, выдающий мощность 1000 кВт и нам необходимо передать эту мощность потребителю, который находится на расстоянии, например на 100 км от генератора.
Для сравнения электрическую энергию будем передавать напряжением 10 кВ и 100 кВ. При заданных мощности и напряжениях определим величины токов, протекающих в проводах.
I1 = P/U1 = 1000 кВт/10 кВ = 100 А.
I2 = P/U2 = 1000 кВт/100 кВ = 10 А.
Как мы видим, при увеличении напряжения в 10 раз, ток снижается тоже в 10 раз.
Потери электроэнергии в проводах ЛЭП и не только в них определяются квадратом тока, протекающего в них и сопротивлением самого провода. Для простоты расчет примем сопротивление проводов, равным 10 Ом. Подсчитаем потери мощности для обоих случаев.
Pпот1 = I1 2 ∙R = 100 2 ∙10 = 100000 Вт = 100 кВт.
Pпот2 = I2 2 ∙R = 10 2 ∙10 = 1000 Вт = 1 кВт.
Теперь, как мы видим, с ростом напряжения в 10 раз потери электроэнергии снижаются в 100 раз! При более низком напряжении доля потерь в проводах составляет 10 % от мощности, выдаваемой генератором. А при более высоком напряжении эта доля составляет всего 0,1 %. Поэтому очень важным параметров сравнения родов тока является возможность повышать напряжение, а затем его снижать в конечных пунктах.
Можно было бы и не повышать напряжение, а для снижения потерь применять более толстые провода, но такой подход экономически не оправдан, поскольку медные провода стоят денег.
Также можно было бы и не повышать напряжение генератора, а создать такой генератор, который сразу бы выдавал высокое напряжения. Но здесь возникают сложности при изготовлении таких генераторов. Сложности связаны в основном с изоляцией высоковольтных элементов генератора. Короче говоря, изготовить трансформатор на высокое напряжение гораздо проще и дешевле, нежели генератор.
Преимущества переменного тока
Вопрос повышения и снижения переменного напряжения при нынешнем уровне технического развития решается гораздо проще, чем постоянного электрического тока.
Такие преобразования довольно просто выполняются с помощью относительно простого устройства – трансформатора. Трансформатор обладает высоким коэффициентом полезного действия, который достигает 99 %. Это значит, что не более одного процента мощности теряется при повышении или снижении напряжения. К тому же трансформатор позволяет развязать высокое напряжение с более низким, что для большинства электроустановок является очень весомым аргументом.
Применение трехфазной системы переменного тока позволяет еще больше повысить эффективность системы электроснабжения. Для передачи электричества аналогичной мощности потребуется меньше проводов, чем при однофазном переменном токе. К тому же трехфазный трансформатор меньше габаритов однофазного трансформатора равной мощности.
Электрические машины переменного тока, в частности асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором имеют гораздо проще конструкцию, чем двигатели постоянного тока. Главным преимуществом трехфазных асинхронных двигателей является отсутствие коллекторно-щеточного узла. Благодаря чему снижаются расходы на изготовление и эксплуатацию таких электрических машин. Кроме того за счет отсутствия коллекторно-щеточного узла асинхронные двигатели имеют в разы большую мощность по сравнению с двигателями постоянного тока.
Недостатки постоянного тока
Из выше изложенного следуют такие недостатки.
Недостатки переменного тока
Однако большинство нагрузок – двигатели, трансформаторы и сами провода являются индуктивными элементами. А чем больше индуктивность, тем большую долю составляет реактивная мощность от полной и с этим нужно бороться.
Чем выше частота, тем сильнее вытесняется ток к поверхности проводника и в конечном счете, тем выше потери мощности.
Преимущества постоянного тока
Указанные два пункта приводят к тому, что если передавать одну и ту же мощность при равных напряжениях постоянным и переменным токами, то потери мощности электроэнергии постоянным током были бы почти в два раза меньше, чем при переменном токе.
К тому же, если рассматривать такие бытовые электронные устройства как ноутбуки, компьютеры, телевизоры и т. п., то все они имеют блоки питания, преобразующие переменное напряжение 220 В (230 В) в постоянное напряжение более низкой величины. А такие преобразования связаны с частичной потерей мощности.
Кроме того, как было сказано ранее, трехфазный асинхронный двигатель (АД) можно подключить напрямую к сети 380 В, что вполне оправдано в том случае, когда не требуется изменять режим работы двигателя. Но если необходимо изменять частоту вращения его вала, то нужно на обмотки статора подавать напряжение, частота и амплитуда которого должны изменяться пропорционально, согласно закону Костенка. Для этого применяют трехфазные автономные инверторы (АИ), чаще всего инверторы напряжения. Такие инверторы должны получать питание от источника постоянного напряжения.
Также следует заметить, что последним временем начали очень широко применяться солнечные батареи, которые вырабатывают постоянный ток. К тому же, значительно возросла мощность аккумуляторных батарей и повысилась емкость суперконденсаторов, которые также относятся к источникам постоянного тока и с каждым днем находят все большее практическое применение.
Выводы: постоянный или переменный ток
Несмотря на все преимущества постоянного тока, значительная сложность, вызванная преобразованием больших мощностей, главным образом сказывается сложность повышения и понижения постоянного напряжения, сводит на нет указанные выше преимущества. Поэтому, до тех пор, пока не будут разработаны полупроводниковые ключи огромной мощности и соответствующие преобразователи на их основе, переменный ток остается вне конкуренции. К тому же сейчас уже применяются четырехквадрантные преобразователи или активные выпрямители, позволяющие скомпенсировать реактивную составляющую нагрузки, что позволяет получить коэффициент мощности, равный почти единице. Благодаря чему исключается потребление реактивной мощности.
Как вы видите, однозначного ответа на вопрос, какой ток лучше: постоянный или переменный, не существует. Следует сравнивать все преимущества и недостатки для конкретного случая.
Достоинства и недостатки генератора переменного тока
Генераторы переменного тока
Развитие автомобилестроения сопровождалось ростом требований к безотказности и увеличению срока службы автомобилей, комфорту их эксплуатации, снижению эксплуатационных затрат на техническое обслуживание и ремонт, а также соответствие все возрастающим требованиям безопасности движения. 
В связи с этим появилась необходимость существенного увеличения мощности и срока службы автомобильных генераторов, как основных источников электрического тока, улучшения их эксплуатационных характеристик и снижения эксплуатационных затрат. Появилась необходимость уменьшения габаритных размеров и массы генераторов, как, впрочем, и многих других агрегатов и устройств, что позволяло гибко проектировать компоновку и внешний дизайн автомобилей, а также получать экономию дорогостоящих металлов.
Удовлетворение перечисленных требований путем совершенствования конструкции и технологии производства генераторов постоянного тока, учитывая низкую надежность и малый срок службы щеточно-коллекторного узла, а также габаритные размеры и массу генераторов постоянного тока, стало неосуществимо. Поэтому было выбрано новое направление в развитии автомобильных генераторов – создание генераторов переменного тока.
Название «генератор переменного тока» несколько условно, и касается в основном особенностей конструкции генератора, поскольку они оснащены встроенными полупроводниковыми выпрямителями и питают потребители постоянным (выпрямленным) током.
В генераторах постоянного тока таким выпрямителем является щеточно-коллекторный узел, осуществляющий выпрямление переменного тока, полученного в обмотках якоря.
Развитие полупроводниковой техники позволило применить в генераторах переменного тока более совершенный и надежный выпрямитель на полупроводниковых диодах, в котором отсутствовали механические детали и узлы, подверженные износу и отказам.
Преимущества и недостатки генераторов переменного тока
К основным преимуществам генераторов переменного тока по сравнению с генераторами постоянного тока можно отнести следующие свойства:
С практической точки зрения преимущества генератора переменного тока проявляются в том, что вырабатываемый им ток снимается с неподвижных обмоток, закрепленных на корпусе-статоре. Обмотка возбуждения, выполненная на вращающемся роторе, существенно легче неподвижных обмоток статора, поэтому ротор можно вращать с большей скоростью, не опасаясь явлений дисбаланса вращающихся масс. Да и ток возбуждения в этом случае подвести проще, поскольку он небольшой. В результате щетки и контактные кольца служат дольше.
Кроме того, генератор постоянного тока, в отличие от генератора переменного тока, начинает вырабатывать ток при относительно большой частоте вращение якоря. По этой причине для его полноценного функционирования, например, на холостых оборотах двигателя, необходимо значительное передаточное число привода, что в дальнейшем (на рабочей частоте коленчатого вала) может привести к дисбалансу (из-за значительной массы якоря), износу подшипников и элементов привода генератора.
Определенное преимущество генераторов переменного тока проявляется, также, в том, что при необходимости получения высокого напряжения (например, для питания высоковольтных потребителей), достаточно использовать небольшой трансформатор. Увеличить напряжение постоянного тока таким способом не удастся. Несмотря на то, что в автомобильных бортовых сетях необходимость получения высокого напряжения возникает крайне редко, такую возможность нельзя сбрасывать со счетов.
Основные недостатки генератора переменного тока — необходимость выпрямления вырабатываемого им тока, а также некоторое рассеивание мощности в окружающих ротор и статор металлических деталях из-за возникновения вихревых и реактивных токов в переменном электромагнитном поле. Тем не менее, достоинства генераторов переменного тока с лихвой окупают отмеченные недостатки.
Первые автомобильные генераторы переменного тока были спроектированы для работы с отдельными селеновыми выпрямителями и вибрационными регуляторами напряжения. Селеновые выпрямители имели значительные размеры, и их приходилось размещать отдельно от генератора, в местах, где обеспечивалось хорошее охлаждение. Для присоединения такого выпрямителя к генератору требовалась дополнительная проводка.
Кроме того, селеновые выпрямители были недостаточно теплостойки, и допускали максимальную рабочую температуру не выше +80 ˚С.
По этим причинам в дальнейшем от селеновых выпрямителей отказались, и стали применять кремниевые диоды, которые были менее габаритны, обладали хорошей теплостойкостью, что позволяло размещать их непосредственно в генераторе.
На смену вибрационным регуляторам напряжения пришли сначала контактно-транзисторные, а затем бесконтактные на дискретных элементах и бесконтактные интегральные регуляторы.
Габаритные размеры интегральных регуляторов позволяют встраивать их в генератор, который совместно со встроенными регулятором и выпрямительным блоком называется генераторной установкой.
Принципиальное устройство генератора переменного тока
На рис. 1 представлена упрощенная схема генератора переменного тока, который состоит из двух основных частей: статора с неподвижной обмоткой, в которой индуцируется переменный ток, и ротора, создающего магнитное поле.
Полюсы ротора поочередно проходят мимо неподвижных катушек статора, размещенных на пазах с внутренней стороны корпуса генератора. При этом изменяется направление магнитного потока, а, следовательно, и направление индуцируемой в катушке ЭДС.
Обычно число полюсов магнита на роторе и число катушек в корпусе позволяет получить трехфазный ток. У трехфазных генераторов обмотки имеют одну общую точку, где соединяются их концы, поэтому такая схема соединения называется «звездой», а общая точка обмотки – нулевой точкой.
Вторые концы обмоток присоединяют к двухполупериодному выпрямителю. Магнитное поле ротора может создаваться постоянным магнитом или электромагнитом. В последнем случае к обмотке возбуждения электромагнита подводится постоянное напряжение.
Применение в роторе электромагнитов усложняет конструкцию генератора, так как необходимо подводить напряжение к вращающейся детали – ротору, но в этом случае возможно регулирование напряжения изменением частоты вращения ротора. Кроме того, магнитные свойства постоянных магнитов существенно зависят от их температуры.
Более подробно устройство и работа автомобильного генератора переменного тока приведены на следующей странице.
Бесконтактные генераторы с электромагнитным возбуждением
Для автомобильных генераторов надежность и срок службы определяются тремя факторами:
Первые два фактора зависят от уровня развития смежных производств. Третий фактор может быть исключен путем использования бесконтактных генераторов, имеющих более высокую надежность и ресурс, чем контактные генераторы, использующие щеточно-контактные токосъемные устройства. Это стимулировало создание автомобильных бесконтактных генераторов переменного тока с электромагнитным возбуждением – индукторных генераторов и генераторов с укороченными полюсами.
К бесконтактным генераторам с электромагнитным возбуждением относятся индукторные генераторы и генераторы с укороченными клювами. Работает генератор следующим образом. Обмотка возбуждения, по которой протекает постоянный ток, создает в магнитной системе поток, который при вращении ротора изменяется по величине без изменения знака. Этот поток замыкается, проходя через воздушные зазоры между валом и элементами ротора, зубцы которого выполнены в виде звездочки, воздушный зазор между ротором и статором, магнитопровод статора и крышку генератора.
Изменение магнитного потока в якоре при вращении ротора происходит за счет изменения магнитного сопротивления воздушного зазора между зубцами статора и ротора.
Магнитный поток Ф у индукторных генераторов пульсирующий. Магнитный поток в воздушном зазоре периодически изменяется от Фmах, когда оси зубцов ротора и статора совпадают, до Фmin, когда оси зубцов ротора и статора смещены на угол 180˚ электрических градусов. Таким образом, магнитный поток имеет среднюю постоянную и переменную составляющую с амплитудой
3убец и впадина ротора (индуктора) генератора образуют пару полюсов, поэтому частота тока якоря в индукторе генератора может быть определена по формуле:
где z — число зубцов ротора.
В генераторах с укороченными полюсами бесконтактность достигается за счет неподвижного крепления обмотки возбуждения с помощью немагнитной обоймы. Полюсы клювообразной формы имеют длину меньше половины длины активной части ротора. В процессе вращения ротора магнитный поток возбуждения пересекает витки обмотки статора, индуцируя в них ЭДС.
Генераторы с укороченными полюсами просты по конструкции, технологичны. Роторы таких генераторов имеют малое рассеяние.
К недостаткам можно отнести несколько большую, чем у контактных генераторов, массу при той же мощности. Также следует отметить трудность крепления обмотки возбуждения и обеспечения жесткости и механической прочности ее крепления.
Применение на автомобилях существующих конструкций индукторных генераторов долго сдерживалось следующими трудностями:
Дальнейшее совершенствование конструкции и устранение вышеперечисленных недостатков позволило использовать индукторные генераторы переменного тока на автомобилях.
Впервые бесщеточные генераторы с укороченными полюсами 45.3701 и 49.3701 были использованы на автомобилях марки «УАЗ».
Небольшой видеоролик позволит наглядно понять основные принципы работы и устройство автомобильного генератора переменного тока.
Tech Doc Toyota
Устройство и обслуживание автомобилей Тойота
Какие преимущества генераторов переменного тока?
1. Подсчитано, что городской автобус 40% своего рабочего времени стоит на месте или движется в неблагоприятных условиях.
2. Генератор постоянного тока (динамомашина) не может заряжать аккумулятор при работе двигателя на холостом ходу, таким образом, усложняющиеся дорожные условия в совокупности с все растущими потребностями в электроэнергии означают предел возможности использования таких генераторов.
Еще одна группа недостатков генераторов постоянного тока связана с тем, что мощность приходится снимать с вращающегося контакта угольными щетками, поскольку основной ток образуется в роторе, тогда как обмотки возбуждения неподвижны.
3. В генераторе переменного тока все происходит наоборот. В нем обмотки, в которых образуется основной ток, неподвижны, а обмотки возбуждения вращаются (см. рис. 3.2 ). Обмотки возбуждения достаточно легкие и могут вращаться со значительно большей скоростью, чем ротор генератора постоянного тока, таким образом, при соответствующем подборе передаточного отношения привода ротор генератор переменного тока может вращаться с достаточной скоростью, чтобы уже на холостых оборотах давать положительную мощность для зарядки аккумулятора. На рис. 3.3 показано сопоставление выходных характеристик генераторов постоянного и переменного тока примерно одинаковой максимальной мощности.
4. Наконец, генератор переменного тока легче, требует к себе меньше внимания, не требует ограничения зарядного тока и обладает большим ресурсом. Электронный регулятор генератора переменного тока управляет его выходными характеристиками
Рис. 3.1. Типичный набор потребителей электроэнергии на автомобилях конца 80-х годов.
более точно, чем регулятор динамомашина и позволяет использовать необслуживаемые аккумуляторы.
Сравнение различных генераторов для домашних ветроэлектростанций
Правильный подбор генератора – нормальная и эффективная работа ветроэлектростанции. В этой статье мы сравним несколько различных типов генераторов, которые могут применяться для ветроэлектростанций.
Автомобильный генератор переменного тока
К достоинствам данного генератора можно отнести его относительную дешевизну, распространенность (легко найти), а также то, что он не нуждается в переделках.
К недостаткам можно отнести такие вещи как – большая скорость вращения, для применения в ветряках требуется повышающие зубчатые передачи или шкивы. Необходим периодический осмотр токосъёмника и его техническое обслуживание. Также такой генератор выдает небольшую мощность.
Как отмечалось ранее, одним из главных недостатков автомобильных генераторов применительно в ветроэлектростанциям являются их высокие обороты, и, соответственно, для применения их к ветрякам необходимы повышающие звенья (редукторы и шкивы). Номинальные обороты автомобильных генераторов примерно 3000 об/мин. Наличие дополнительных повышающих обороты ветряка механизмов увеличивает потери энергии системы.
Также автомобильный генератор имеет электромагнитное возбуждение, что означает, что для того, чтобы получить электрический ток необходимо запитать обмотку возбуждения от внешнего источника. Это усложняет систему и снижает ее эффективность, но упрощает регулирование выходного напряжения, так как магнитный поток можно изменять путем регулирования тока возбуждения.
Также щетки и токосъёмники имеют тенденцию к изнашиванию, что приводит к необходимости периодически проводить осмотр этих элементов и при необходимости менять. Но также можно перемотать генератор на более низкие обороты. Это производят путем замены витков статора на более частые витки из более тонкой легированной стали.
Самодельный генератор с постоянными магнитами
Плюсом такой установки будет ее эффективность, крепкая конструкция, низкая стоимость, получения большой мощности.
Минусом будет то, что это довольно сложный трудоемкий проект, требующий выполнения работ на токарном станке.
Но применимость к ветроэлектростанции таких установок довольно хорошая.
Самодельный генератор с постоянными магнитами, как показали эксперименты, наиболее экономичен и выгоден для ветрогенераторов. Он вполне приемлемо работает на низких скоростях, а на высоких скоростях вращения способен выдавать большую мощность.
Поскольку вырабатывается переменный ток, то необходим выпрямитель, для преобразования переменного тока в постоянный для зарядки батарей.
Наилучшие показатели у трехфазных генераторов. Однако их построение сложнее чем однофазных. Поэтому при проектировании следует решить, сможете ли вы создать трехфазную систему или все-таки ограничитесь однофазной.
Для ветряка с диаметром в 2 метра такая электроустановка может выдать более 60 А в 12-вольтную батарея, а это не много не мало 700 Вт. На пике мощности ток может достигать 100 А. Пока такое решение является наиболее эффективным.
Конверсионный асинхронный генератор переменного тока
Плюсы – легко можно приобрести, относительно дешевый, хорошо работает на низких оборотах, сравнительно не сложно переоборудовать.
Недостатки – большое внутреннее сопротивление, имеет малую эффективность на высоких скоростях вращения, а также для переоборудования необходимо выполнять работы на токарном станке.
Имеет среднюю пригодность к применению в ветроэлектростанциях.
Обычный асинхронный электродвигатель вполне возможно переоборудовать в генератор с постоянными магнитами. Эксперименты показывают, что после переделок данная электроустановка имеет довольно хорошие показатели при работе на низких скоростях, и гораздо худшие при работе на высоких скоростях.
Поскольку асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором имеет в роторе обмотку для работы в двигательном режиме, то для переоборудования его необходимо эту обмотку удалить, и вместо нее установить постоянные магниты, превратив таким образом асинхронный электродвигатель в генератор с постоянными магнитами.
На практика такая установка способна выдавать 10-20 А. При увеличении скорости вращения такой установки ток возрастет незначительно, а остальная мощность будет тратиться на нагрев обмоток электрической машины. Обмотка асинхронных машин малой мощности выполнена тонкой обмоткой и не поддерживает большой ток. Например, для того же ветряка с диаметром в 2 метра пиковый ток не превысит 25 А.
Если вам не нужна большая сила тока при высоких скоростях, то асинхронный двигатель вполне неплохое решение. Желательно выбирать трехфазный электродвигатель, для снижения пульсаций в цепи постоянного тока, в который преобразуется переменный с генератора с помощью выпрямителя.
Генератор постоянного тока
Плюсы – довольно прост, нет необходимости в доработках, некоторые модели вполне могут работать на низких оборотах.
Минусы – прихотлив в обслуживании, трудно подобрать необходимой мощности.
Слабо пригоден для ветроэлектростанций.
Кажется логичным – генератор постоянного тока не требует выпрямителя, так как вырабатывает постоянный ток. На само деле, это не совсем так. В нем присутствуют щетки коллекторные, которые необходимо постоянно осматривать, также периодически необходимо чистить сам коллектор. При перегрузках коллектор может подгорать. Также при замене щеток их необходимо правильно подобрать и выставить. При использовании электроустановок переменного тока эти процессы отсутствуют.
При использовании электроустановок постоянного тока они могут выдавать мощность порядка 100-200 Вт, что вполне нормально для небольшого ветряка с высотой 1-2 метра.
Выбор места установки ветродвигателя
Лучшим местом для установки ветроэлектростанции, как вы уже наверно догадались, являются участки с минимальной затеняемостью ветра большими деревьями, а также постройками, минимальное расстояние к которым не должно быть меньше чем 25-30 метров. Высота ветроэлектростанции должна превышать высоту близлежащих строений на 3-5 метров. По линии наиболее частого направления ветра деревьев быть не должно.
Синхронный и асинхронный генератор. Какой лучше?
Перебои в централизованном электроснабжении и внезапные отключения электроэнергии, перегрузки на линиях электропередач, скачки напряжения в сети — эти и многие другие причины приводят к необходимости покупки электростанции для аварийного или автономного электроснабжения производственных цехов, загородных домов. И тут возникает вопрос: какой генератор выбрать? Одним из критериев становится выбор между синхронным и асинхронным вариантом исполнения. Попробуем разобраться, в чем отличия, преимущества и недостатки.
Преимущества и недостатки синхронных генераторов
В силу особенностей конструкции синхронные генераторы легче легко переносят кратковременные перегрузки (в том числе пусковые), обеспечивают более высокое качество тока и правильную синусоиду напряжения, обладают достаточно высокой стабильностью напряжения. Они отлично подходят для электропитания индуктивных нагрузок с высоким стартовым током (например, циркулярные пилы, компрессоры, насосы) и более предпочтительны для бытового потребления.
Сегодня выпускаются синхронные генераторы со щеточными и бесщеточными системами возбуждения ток. Второй вариант более предпочтительный. В щеточных системах вполне вероятно частичное «выгорание» щеток после прохождения больших токов, что приводит к перегреву агрегата. Поэтому для таких моделей рекомендуется регулярное обслуживание с целью контроля за состоянием щеточного узла, а при необходимости очистки или замены щеток.
К недостаткам относится плохая защита агрегатов от внешних воздействий (вода, пыль). За счет того, что охлаждение происходит воздушным путем, велика вероятность попадания внутрь всего, что находится в воздухе. Клирфактор синхронных генераторов может достигать показателя в 15%, что приводит к неустойчивости в работе электроприборов с импульсно-фазовым управлением, бесполезному нагреву и неравномерности вращения электромоторов.
Также стоит отметить, что синхронные генераторы не позволяют подключать к отдельным фазам потребителей гораздо более высокой мощности. В противном случае практически неизбежно повреждение приборов малой мощности при подключении.
Преимущества и недостатки асинхронных генераторов
Асинхронные генераторы устойчивы к коротким замыканиям, а устройства автоматической регулировки напряжения сглаживают перепады напряжения. Поэтому они особенно востребованы для электросварки и питания активных нагрузок. Конструкция таких агрегатов более простая, а сами они более надежные и долговечные.
Клирфактор асинхронных агрегатов составляет не более 2%, и это обозначает, что они вырабатывают электроэнергию практически без вредных составляющих. Поэтому при использовании таких агрегатов телевизионные приемники, источники бесперебойного питания работают устойчивее, а сварочные аппараты обеспечивают более качественный шов.
Роторы асинхронных генераторов производят незначительное тепловыделение, не требующее охлаждения, что позволяет герметизировать внутреннюю полость агрегата. Благодаря этому значительно расширяется сфера использования агрегатов, которые могут эксплуатироваться в условиях повышенной запыленности и высокой влажности. Такая герметизация способствует и более продолжительному сроку службы электростанций. При эксплуатации асинхронных генераторов допускается подключение к разным фазам потребителей разной мощности (допустимое значение неравномерности нагрузок по фазам составляет до 70%), что практически невозможно в случае использования синхронных агрегатов.
К недостаткам в первую очередь относится более низкая способность переносить пусковые токи, однако это вполне компенсируется стартовым усилителем. Благодаря оснащению специальными стартовыми усилителями асинхронные электростанции практически не уступают синхронным генераторам по своим пусковым характеристикам, обеспечивая эффективный запуск оборудования и техники с высоким стартовым током. За счет того, что стартовый усилитель обеспечивает возбуждение на короткое время, достаточное для запуска электродвигателя, перегрев агрегата не происходит. Кроме того, в агрегатах, как правило, предусмотрен переключатель для отключения стартового усилителя (например, для работы сварочных аппаратов).
Каковы преимущества и недостатки переменного и постоянного тока?
Главное достоинство переменного тока — можно легко и непринужденно повышать и понижать напряжение с помощью трансформатора или автотрансформатора. Постоянный ток для этого нужно преобразовать в переменный, а затем обратно.
Второе достоинство — это то, что при переходе через ноль облегчается гашение дуги, что делает проще коммутацию под нагрузкой. Обычное реле без применения специальных средств дугогашения на постоянном токе позволяет коммутировать только низкие напряжения порядка 30 В при небольших токах, но то же самое реле легко выдерживает коммутацию сетевого напряжения 220 В при токе в несколько ампер.
И наконец, трехфазный двигатель переменного тока очень прост, не требует никаких устройств для коммутации обмоток, никаких коллекторов. Да и генератор выдает всегда именно переменный ток, для получения постоянного его нужно выпрямлять.
А недостатками переменного тока являются потери, связанные с излучением электромагнитных волн и наведенными в окружающих предметах токами, проблема реактивных токов, сложность сложения мощностей разных генераторов (нужно, чтобы они работали строго на одной частоте), повышенная нагрузка на диэлектрики, а при относительно низких (бытовых) напряжениях — еще и повышенная опасность.
Преимущество постоянного тока — что именно на нём работает вся электроника. От зарядки для мобилы и кончая телевизором и компьютером. Даже для источников света в некоторых случаях — например, кинопроектор, даже домашний, — лучше постоянный ток, потому что при постоянном токе исключается мерцание ламп. Поэтому практически любое бытовое устройство начинается с выпрямителя и стабилизатора.
Преимушество переменношго тока вытекает из недостатка постоянного: меньше потери при передаче энергии на большие расстояния.
Для снижения потерь энергии в линиях электропередачи её выгоднее передавать на высоком напряжении (потому что передавать надо мощность, а она равна U*I; чем больше U, нем меньший I нужен для той же Р, а чем меньше ток — тем меньше потери на данном сопротивлении линии передачи). Но преобразовать постоянный ток одного напряжения в постоянный, но другого, более высокого, крайне сложно. Это можно, причём даже традиционными средствами (электромотор + генератор), но сложно и сопровождается дополнительными потерями. Поэтому линии передачи переменного тока куда проще, надёжнее и поэтому выгоднее, даже чисто по деньгам, а не только по киловаттам, чем ЛЭП постоянного тока.
Именно поэтому — из-за существенно более простых и более экономичных линий передачи — переменный ток и стал доминирующим. В истории противостояние между Т. Эдисоном, сторонником постоянного тока, и Н. Теслой, пионером и апологетом переменного, извесрно как «война токов». Выиграл её в итоге Тесла.