Магнитный генератор электрического тока. Генераторы электрического тока
Генератор электрического тока
Классический генератор электрического тока представляет собой устройство, вырабатывающее электроэнергию путем превращения механической энергии в электрическую. То есть двигатель внутреннего сгорания сжигает топливо и передает полученную энергию электрическому генератору. Все они различаются по типу применяемого горючего, а также по размерам, мощности и виду вырабатываемого тока.
Конструкция генератора
В состав любого генератора входит двигатель и сам генератор, смонтированные в единое целое на общей раме и соединяющиеся между собой с помощью механической передачи. Все они производят ток переменного напряжения 220-380 вольт при частоте 50 герц и обеспечивают нормальную работу большей части потребителей.
Виды генераторов
Дизельные генераторы
В качестве источника механической энергии используют дизельные двигатели. Они могут быть основными или аварийными источниками электричества. Дизели обладают более продолжительным моторесурсом, при работе производят низкий уровень шума. Однако, высокая цена не позволяет использовать их в качестве резервных источников электроэнергии.
Бензиновые
Отличаются компактностью, которая при определенных условиях может иметь решающее значение. Эти устройства имеют сравнительно низкую стоимость, они экологически чистые и производят очень мало шума. При выборе необходимо, в обязательном порядке, учитывать суммарную мощность потребителей. Техническое обслуживание требует особого внимания.
Газогенераторы
Содержат в своем составе двигатели внутреннего сгорания, работающие на газе, полученном в газогенераторных установках. Остальные принципы работы такой электростанции такие же, как и у других электрических генераторов. В качестве топлива может использоваться обычный газ, применяемый в автомобилях. Целесообразность применения того или иного вида топлива определяется экономическими факторами.
Цифровой
Самый прогрессивный генератор электрического тока. Он отличается непосредственным соединением генератора с двигателем. С помощью этой установки получается значительная экономия веса и свободного пространства. Цифровые генераторы имеют двойную звукопоглощающую систему, благодаря которой шум от работы почти не слышен. Выбросы сведены к минимуму, поскольку система сгорания обладает высокой эффективностью. Кроме того, генератор оснащен многими защитными устройствами, значительно повышающими его надежность.
electric-220.ru
Принцип действия генератора электрического тока в кране
Строительные машины и оборудование, справочник
Категория:
Электрическое оборудование
Принцип действия генератора электрического тока в кранеЭлектрической машиной называется устройство, служащее для преобразования механической энергии в электрическую или, наоборот, электрической энергии в механическую. В первом случае машина называется электрическим генератором, во втором — электродвигателем. Принцип действия электрических машин основан на законах электромагнитной индукции и действия электромагнитных сил. Для работы любой электрической машины необходимо наличие магнитного поля и проводников, по которым протекает ток.
Одна и та же электрическая машина может быть генератором, тока или двигателем. Рассмотрение устройства машин постоянного тока удобнее начать с генераторов, т. е. машин, которые производят электрический ток. Любой генератор состоит из устройства, служащего для создания магнитного потока, и электрической обмотки, в которой наводится ЭДС. У генераторов постоянного тока обмотка обычно размещается на вращающейся части, называемой якорем. Якорь располагается между полюсами, создающими магнитное поле. При вращении якоря механическим двигателем в этом магнитном поле в обмотке наводится ЭДС, которая прямо пропорциональна частоте вращения и магнитному потоку. С помощью коллектора и щеток ток подается во внешнюю цепь.
Аналогично устроены и генераторы переменного тока, только у них основная обмотка, как правило, размещается на неподвижной части машины — статоре, а магнитное поле создается магнитными полюсами, расположенными на вращающейся части — роторе.
Генераторы постоянного тока вырабатывают по сути дела переменное напряжение, которое выпрямляется особым устройством — коллектором. Рассмотрим работу простейшего генератора переменного тока (рис. 3.1), который приводится во вращение каким-либо механическим двигателем и преобразует механическую энергию в электрическую.
Рис. 3.1. Схематическое устройство простейшего генератора переменного тока
Будем считать, что якорь вращается с постоянной скоростью в направлении против часовой стрелки. Так как проводники аЬ и ей находятся в одинаковых условиях относительно полюсов С и Ю, то достаточно рассмотреть процесс создания ЭДС только в одном проводнике, например в проводнике аЪ.Направление наводимой ЭДС определяется по правилу правой руки. Ладонь правой руки надо расположить в магнитном поле так, чтобы магнитные силовые линии были направлены в ладонь, а большой палец был отведен на 90° в плоскости ладони и направлен в сторону движения проводника. Тогда остальные пальцы руки покажут направление наведенной в проводнике ЭДС (рис. 3.2). Напомним, что принято считать магнитные силовые линии исходящими из северного полюса.
Рис. 3.2. Правило правой руки
Из рис. 3.3 видно, что каждая щетка соединена через кольцо только с одним проводником: щетка А — с проводником ab, а щетка В — с проводником cd. Значит, на зажимах внешней цепи имеется переменное во времени напряжение и по ней течет переменный ток частотой /. Итак, внутри машины получается переменный ток, но во внешнюю цепь можно выдавать постоянный или выпрямленный ток. Для этого применяют специальное устройство — коллектор, по сути дела являющийся механическим выпрямителем.
Принцип действия его состоит в следующем. Концы витка ab-cd присоединяются не к двум кольцам, как было сделано вначале, а к одному кольцу, разрезанному по диаметру, обе половинки которого изолированы друг от друга и от вала, на который они насажены. На эти полукольца или пластины коллектора наложены щетки А и В, к которым присоединяется внешняя цепь. Только теперь положение щеток на пластинках не безразлично, как на рис. 3.1, а имеет существенное значение.
С целью выпрямить переменный ток надо поставить щетки так, чтобы наводимая в витке ЭДС была равна нулю в момент перехода щетки с одной пластины на другую (рис. 3.3).
Рис. 3.3. Схема простейшего генератора постоянного тока
Тогда ток во внешней цепи будет протекать только в одном направлении — от щетки А к щетке В. Здесь происходит выпрямление наводимой в витке ab-cd переменной ЭДС в пульсирующую ЭДС, и ток во внешней цепи будет также пульсирующим, т. е. меняющимся по величине в течение периода в соответствии с изменением ЭДС, но направление его остается неизменным. Щетка А, от которой отводится ток во внешнюю цепь, является положительной и обозначается знаком плюс, а щетка В, через которую ток возвращается в машину — отрицательной и обозначается знаком минус. Чтобы пульсирующий ток стал постоянным током, необходимо сделать не две коллекторные пластины, а значительно больше, а также следует уложить на якорь обмотку, состоящую из большого числа проводников. Витки обмотки соединены с коллекторными пластинами по определенному закону.
Итак, мы ознакомились с устройством машины постоянного тока, являющейся генератором или источником электрической энергии. Но генератор может быть легко обращен в электрический двигатель. Для этого необходимо дать такое же напряжение постоянного тока на зажимы машины, какое она вырабатывала в качестве генератора. Это свойство электрических машин носит название обратимости. При работе такой машины в качестве двигателя коллектор попеременно посылает в секции обмотки якоря ток определенного направления.
Каждая машина постоянного тока состоит из следующих основных частей: неподвижной части станины, т. е. статора, предназначенного для создания магнитного потока; вращающейся части, или якоря; двух подшипниковых щитов. На статоре укреплены основные полюсы, служащие для создания основного магнитного потока, и добавочные полюсы, выравнивающие магнитный поток при работе машины, что необходимо для подавления искрения на коллекторе.
Рис. 3.4. Основной полюс
Якорь представляет собой цилиндрическое тело, вращающееся в пространстве между полюсами. Якорь имеет пазы, в которые уложены проводники обмотки. На одном валу с якорем насажен коллектор, к пластинам которого припаяны выводы от обмотки якоря. Зазор между якорем и неподвижной частью машины колеблется в пределах 0,7—3 мм для машин мощностью до 50 кВт, а в машинах большей мощности может достигать 10 мм. Сердечник 1 основного полюса (рис. 3.4) выполнен из листовой электротехнической стали толщиной 1 мм. Со стороны, обращенной к якорю, сердечник имеет полюсный наконечник 2, служащий для равномерного распределения магнитного потока через воздушный зазор. На сердечник полюса надета катушка обмотки возбуждения 3, по которой проходит постоянный ток. Катушка наматывается на каркас 4, выполняемый из листовой стали толщиной 1—2 мм, пластмассы или картона. Полюсы крепятся к статору 6 при помощи болтов 5.
Добавочные полюсы, так же как и основные, состоят из сердечника, оканчивающегося полюсным наконечником, и надетой на сердечник катушки. Добавочные полюсы устанавливают строго посередине между основными полюсами и крепят к станине болтами.
Станиной или статором называют неподвижную часть машины, к которой крепятся основные и добавочные полюсы и при помощи которой машина крепится к фундаменту или другому основанию. Станину делают из чугуна или стали с разъемом или без него в зависимости от типа и мощности машины. К станине крепятся подшипниковые щиты, поддерживающие подшипники, в которых вращается якорь.
Якорь машин постоянного тока представляет собой барабан с пазами, выполненный из листовой стали толщиной 0,5 мм. Частота перемагничивания якоря составляет 20—60 Гц. Листы набираются в осевом направлении и для уменьшения потерь от вихревых токов изолируются друг от друга лаком или бумагой толщиной 0,03— 0,05 мм. Листы якоря спрессовывают с обеих сторон нажимными приспособлениями, которые крепят на валу или стягивают болтами. Для улучшения охлаждения на вал якоря насаживают вентилятор.
Секции обмотки якоря изготовляют на шаблонах и укладывают в пазы якоря. Обмотку якоря присоединяют к коллектору, который выполняют из медных пластин трапецеидальной формы, изолированных друг от друга и от корпуса посредством слюды или миканитовых прокладок. Коллекторные пластины закрепляют на ласточкиных хвостах. После запрессовки коллектор обтачивают на станке, чтобы его поверхность имела правильную цилиндрическую форму. Концы секций якоря впаиваются в пластины коллектора.
Для подвода тока к вращающемуся коллектору и отвода от него тока применяют щеточный аппарат, состоящий из щеткодержателей, укрепленных на щеточных пальцах, и щеток, установленных в щеткодержателях. Все щеточные пальцы крепятся на общей траверсе, устройство которой показано на рис. 3.5.
Читать далее: Принцип действия двигателя трехфазного тока
Категория: - Электрическое оборудование
Главная → Справочник → Статьи → Форум
stroy-technics.ru
Генератор переменного тока — устройство, принцип работы и применение
Когда люди присмотрелись к возможностям электричества, сразу начали придумывать, как бы серьезно поставить на службу эту интересную энергию. И появилась целая гамма приборов, устройств, установок, способных создавать на двух металлических концах электрическое напряжение. К концам сразу же прикрутили два болтика и начали подвешивать к ним все, что вызывало теперь массу интересных эффектов. Устройства эти в целом назвали источниками электроэнергии, или генераторами. А то, что к ним подключалось — электрической цепью. А по мере роста цепей и занятия ими все более значимого и постоянного места в человеческой жизни, их стали называть уже электрическими сетями.
Именно генераторы создали всю нашу электроиндустрию. Чем принцип работы генератора переменного тока отличается от принципов работы первых источников? Некой надежностью и постоянством, происходящими от надежности и всеобщей доступности той энергии, из которой они вырабатывают электричество. Это механическое движение. А у нас мир весь полон движения. И вполне естественно было заставить роторы крутиться, а движение для этого брать из чего-то еще. Из тепла. Сгорает топливо, ротор крутится — генератор тока работает.
Первоначальный источник же был продуктом первых экспериментов. Химия (аккумуляторы), электризация (электрофорные машины) — все это как-то слабо. Потому что непропорционально дорого, сравнительно с количеством энергии, которое потребовали сети. Сначала осветительные, а потом почти сразу трамвайные. Вот трамвай и толкнул генераторы тока вперед в развитии.
Трамвайная линия — это то, где электроэнергия сама производит движение. Плюсом такого подхода оказалась очень удобная подача такого «топлива» на большие довольно расстояния. И очень органично вписалась в затраты по изготовлению самой трамвайной линии. Когда кладут железные пути, что уж там не проложить вдоль них еще и проволоку, подводящую ток к трамваям, которые могут теперь находиться на линии в любом месте и с одинаковой легкостью получать эту энергию.
Преобразование оказалось симметричным: устройство генератора переменного тока практически такое же, как и у двигателя. Только у генератора назначение — вырабатывать электричество, вращая ротор, а у другого электроэнергия крутит почти такой же ротор, а уже он — колеса трамвая.
О такой передаче энергии механики прошлых веков только мечтали. Ведь когда-то с помощью водяного колеса вращали валы обрабатывающих станков в целых цехах. А энергию механическую передавали тоже механически: с помощью валов, шкивов, ремней, шестеренок… Тут же всего-то — два проводочка. А в случае с трамваями вообще один. Второй — сами рельсы.
Ток переменный и ток постоянный
Сначала открыли электрический ток, когда увидели, что он, себя проявляя, действует. Потом только обнаружили, что ток бывает постоянный, но может быть и переменным.
Собственно говоря, генерация тока всегда и происходит от изменения магнитного поля, проходящего через обмотку. И напряжение, которое при этом возникает, просто обязано быть переменным. Потому что технически просто немыслимо заставить магнитное поле изменяться строго равномерно. Источники тока, полученные другим путем, основывались на стационарных процессах (или квазистационарных — учитывая разряд аккумуляторов), поэтому они и давали исключительно постоянный ток. Когда изобрели телеграф — наверное, первое электрическое изобретение, толкнувшее к созданию масштабных электрических линий, — этот самый ток в них был постоянным, хотя и прерывистым. Постоянный ток не очень высокого напряжения дает в передаче на дальние расстояния огромные потери от сопротивления в проводниках. С этим столкнулся уже Самюэль Морзе, когда протягивал свою первую телеграфную линию в 1844 году от Балтимора до Вашингтона. Они с другом сумели с этим справиться, используя «активное усиление» сигнала с помощью реле.
Усиление сигнала с помощью релеТрамвайные линии, как известно, поначалу унаследовали эту традицию — питаться постоянным электрическим током, хотя конструкция из магнитов и вращающихся в их поле проводников, будучи использована в качестве генератора, легче и проще производит именно переменный ток.
Назначение генератора — выработка напряжения, постоянного и переменного, отсюда его устройство и принцип работы.
А типы вырабатываемого напряжения и определили строение и принцип действия генераторов.
Поэтому и различаются генераторы типами — генератор постоянного тока и генератор переменного тока.
В генераторах постоянного тока этого постоянства достигают конструкционными ухищрениями: путем создания определенной конфигурации магнитного поля, путем увеличения количества якорных рамок в роторе, в которых наводится разность потенциалов и снятие его с них с помощью многоконтактного коллектора, путем организации особых режимов тока возбуждения на специальных обмотках возбуждения, установленных на магнитах статора, и т.д.
Но, оказалось, проще добиться того же эффекта другим путем: индукционный генератор переменного тока напряжение вырабатывает, а потом оно «выпрямляется» обычной схемой диодного выпрямителя. Что и делает, например, генератор автомобиля.
Принцип работы устройства
Генератор переменного тока — это механико-индукционная машина, создающая переменное электрическое напряжение на своих выходных контактах в ответ на вращение своей подвижной части посторонней силой.
Подвижная часть генератора (или альтернатора) называется ротором, неподвижная — статором.
Две части генератора производят следующее: одна из них создает магнитное поле, а вторая часть содержит проводники, расположенные так, что при изменении относительно них этого магнитного поля (назовем его генерирующим), на их противоположных концах возникает разность потенциалов. Она снимается и переправляется с этих проводников на выходные контакты.
Виды генераторов переменного тока
Отсюда возможны два варианта конструкций генератора переменного тока, в которых:
- генерирующее магнитное поле создается в статоре и неподвижно;
- генерирующее магнитное поле создается в роторе и вращается вместе с ним.
В любом случае напряжение, возникающее в результате генерации, нужно снимать не с той части генератора, где создается магнитное поле, а с противоположной.
Первоначально — начиная с опытов по вращению рамки из проводника в неподвижном магнитном поле — ротор и служил для наведения в его обмотках (или рамках) электрической индукции, порождавшей движение электронов к разным концам этих проводников, отчего и возникало напряжение.
Видимо, это связано с тем, что магниты выбирали побольше и потяжелее, дабы создавать сильное поле с большим градиентом, а рамочки с током были совсем легкие. Но теперь и ротор, и статор — это точно пригнанные друг к другу массивные части. Напряжение с вращающегося ротора (или якоря) необходимо снять с помощью специального механизма и отправить на неподвижные выходные контакты. Такой механизм называется коллектором (от лат. «сборщик»), в нем неподвижные подпружиненные щетки, «протянутые» от статора, плотно прижимаются к вращающимся вместе с ротором контактам.
Принцип устройства генераторов электрического токаБыть может, конструктивно это самая узкая часть электродвигателей и генераторов. Она требует специального исполнения, при вращении детали ее стираются, от плохих контактов — при стертых пластинах контактов, или промежутков между ними, или стертых щетках (которые изготовляются обычно из графита — а от него токопроводящая пыль) — начинается искрение при вращении, и это никому не нравится.
Поэтому самым удобным вариантом генераторов переменного тока является второй. Это когда магнитное поле вращается ротором, а напряжение возникает в неподвижном статоре. И его не надо снимать никаким замысловатым образом.
Однофазные и многофазные
Принцип работы
Магнитное поле можно гонять (изменять, вращать) над одной системой проводников (имеющих два полюса) или над несколькими.
Схема простейшего генератора
Схема простейшего генератораИз рисунка понятно, как устроен простейший генератор переменного тока. Из чего состоит генератор? Основные части — ротор и статор. Мы видим, что ротор с установленным в нем магнитом N–S вращается. При этом полюса магнита, то N, то S, попеременно совсем близко от катушек с обмотками. Обмотки последовательно соединяются друг с другом и потом с выходными контактами. Направление и поток магнитного поля, проходящий через обмотки, при вращении изменяется. От чего и возникает переменное напряжение на выходных контактах с частотой f вращения ротора. Происходит генерирование напряжения, а при подключении к контактам нагрузки возникает переменный ток частоты f.
Схема эта — наипростейшая. Она только чуть сложнее, чем те рамочки, которые крутили когда-то в поле двух магнитов. Только теперь, наоборот, магнит, установленный на роторе, вращается, а неподвижные катушки дают напряжение.
Напряжение получается синусоидальным, достигает максимума и минимума, когда около катушек проходят полюса магнита — около них поток магнитного поля наиболее плотен, и поэтому происходит самое быстрое изменение поля. И на контактах в это время будет наведено максимальное по величине напряжение U, или - U . Когда же ротор повернется так, что магнит будет проходить горизонтальное положение, выходное напряжение будет пересекать нулевое значение.
Трехфазный генератор переменного тока
Однако мы видим, что в этой простой электрической машине еще очень много свободного места. Что ж, можно по периметру статора поставить не одну пару, а несколько пар катушек. Но придется тогда от каждой пары катушек отводить отдельные контакты для напряжений, чтобы напряжения разных пар не гасили друг друга. Получится как бы несколько генераторов в одном, каждый из них будет давать синусоидальное напряжение, но так как катушки повернуты относительно друг друга, и синусоиды будут сдвинуты ровно на такой угол, на какой сдвинуты пары катушек относительно нашей первоначальной.
Схема трехфазного генератора 
Схема простейшего генератораКатушки распределены по периметру статора равномерно, то есть друг от друга отстоят на угол 120⁰. Точно такой сдвиг фаз получается и у напряжений. Напряжение U1 с нулевым сдвигом (это наша первая пара катушек), напряжение U2 — 120⁰ и напряжение U3 — 240⁰.
Такое напряжение называется трехфазным. Его возможно передавать с помощью единой системы проводов — три провода по одной на каждую фазу, а ноль всех трех объединяется в один. Это можно сделать двумя способами: соединив обмотки катушек по типу «треугольник» или «звезда».
Можно придумать и другие схемы генерации переменного напряжения, например, установив не три пары катушек, а только две. Тогда разница фаз между ними получится в 90⁰.
Применение нашла именно трехфазная система генерации.
При потреблении трехфазного напряжения часто выделяют отдельные фазы и раздают их разным потребителям. Когда потребителей много, то случайным образом «раздавать» фазы можно — в среднем обычно получается одинаковая нагрузка на все фазы. Но это должно отслеживаться. Потому что если потребление по разным фазам сильно отличается или оно очень неравномерно себя ведет во времени, наступает такое явление, как «перекос фаз». Напряжение по разным фазам начинает отличаться. А это ведет к очень многим плохим последствиям: перерасходу электроэнергии, выходу из строя трансформаторов, электроприборов, двигателей. На электростанции — к падению КПД генераторов (они начнут как бы «хромать») и даже выходу из строя генераторов электроэнергии. Чтобы минимизировать такого рода ущерб, нулевой провод обычно хорошо заземляют, но и следить должны энергетики за таким неприятным явлением.
Возбуждение генератора
Реальный генератор отличается от тут нарисованного еще и тем, что в качестве источника магнитного поля использовать постоянные магниты — занятие бесполезное. Магнитное поле в промышленной установке должно быть строго определенной и строго выдерживаемой напряженности. А как добиться строго одинаковой напряженности магнитов на разных фазах в трехфазном генераторе переменного тока? Иначе и напряжения на них будут разные, и будут фазы «вечно хромающими». Поэтому на роторе вместо магнитов используют электромагниты с сердечниками. К ним подводится постоянное напряжение, и они во время работы генератора возбуждают электромагнитное поле строго заданной интенсивности. Постоянное напряжение подается от независимого источника — это может быть аккумулятор или другой источник постоянного тока. Тут опять проблема: или взгромоздить на ротор еще и аккумулятор для питания катушек возбуждения, или снова заморачиваться с коллекторами для передачи напряжения возбуждения. Решение можно назвать соломоновым: сделать на одном роторе как бы сразу два генератора, только второй питает током обмотки возбуждения первого. А в статоре, соответственно, добавляются еще электромагниты для возбуждения магнитного поля в этом втором генераторе, ток от которого используется только в самом роторе, следовательно, снаружи никому и не нужен. И не надо городить никаких коллекторов для его съема. Такая конструкция стала называться «бесщеточный синхронный генератор переменного тока».
Синхронным он называется потому, что оба источника — и генератор тока возбуждения, и генератор-устройство, дающее конечный результат — напряжение на выходе, работают одновременно на одном и том же роторе.
С помощью тока возбуждения можно влиять на напряжение, которое дает генератор-устройство: при увеличении тока возбуждения соответственно усиливается и магнитное поле, возбуждаемое ротором, отчего главные обмотки генератора и будут вырабатывать переменное напряжение более высокой амплитуды.
Этим пользуются для регулировки напряжения, так как скорость вращения ротора менять нельзя, иначе изменится и частота, а она задана жестко техническими характеристиками всей нашей сети электроэнергии.
Наша энергосистема вырабатывает напряжение частотой строго 50 Гц, ее и производят генераторы электростанций — все они вращают свои роторы со скоростью, кратной 50 Гц. А конструкция ротора выводит напряжение, изменяющееся 50 раз в секунду.
Однако во многих случаях, где высокая точность частоты вырабатываемой энергии не критична, используют асинхронные генераторы. Они проще и дешевле синхронных, но дают напряжение с большим разбросом параметров. Это неважно там, где оно последующими схемами все равно будет преобразовано в постоянное.
Похожие статьи:domelectrik.ru
Магнитный генератор электрического тока
Область использования: генераторостроение. Сущность изобретения: генератор содержит два статора с обмотками и размещенный между ними ротор с постоянными магнитами, обращенными к статорам одноименными полюсами, на статорах установлены магнитоприемники, набранные из листов электротехнической стали. Технический результат: повышение ремонтопригодности. 5 ил.
Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для производства промышленного тока.
Известные генераторы электрического тока, дающие возможность производить электроэнергию при определенных условиях, а именно: генератор должен содержать статор, ротор, в пазах которых производится намотка и укладка соответствующего числа и определенной формы роторных и статорных обмоточных витков провода соответствующего сечения [1]. Ротор конструктивно должен находиться внутри статора и вращаться по оси с определенной скоростью с помощью внешнего силового устройства, которое приводит ротор во вращательное движение [2]. При пересечении витками ротора магнитного потока статора в них наводится ЭДС. Однако, эти генераторы имеют недостаток в том, что для их изготовления необходимы статор, ротор с соответствующим числом и определенной формы обмоточных витков провода соответствующего сечения. Ротор генератора конструктивно должен находиться внутри статора. Такие физико-технические и механические требования к генераторам потребовали создания сложных электрических машин, основные электромагнитные процессы которых протекают внутри самой машины, скрытые от визуальных наблюдений и контроля работы генераторов. Кроме того, современные генераторы имеют одну общую ось ротора, которая вместе с общим весом ротора пересекает всю внутреннюю продольную часть статора. Кроме того, при аварийных ситуациях, случающихся по техническим причинам внутри генератора, он полностью должен быть отключен от нагрузки и остановлен для выяснения причин и обстоятельств такой аварии и ремонта машины в целом. Ремонтные работы поврежденного генератора представляют собой длительный во времени процесс с привлечением дополнительно-денежных средств и людских ресурсов. Наиболее близким к изобретению по технической сущности и максимальному количеству сходных признаков является магнитный генератор электрического тока, содержащий два статора с обмотками и размещенный между статорами ротор с постоянными магнитами, обращенными полюсами к статорам [3]. Целью изобретения является повышение удобства обслуживания и ремонта. Указанная цель достигается тем, что в магнитном генераторе электрического тока, содержащим два статора с обмотками и размещенный между статорами ротор с постоянными магнитами, обращенными полюсами к статорам, статоры и ротор выполнены из магнитного материала, на статорах установлены магнитоприемники, набранные из листов электротехнической стали, на которых размещены катушки обмотки, а магниты обращены к каждому из статора одноименными полюсами. Ротор из немагнитного материала имеет ту же форму конструкции, что и статоры. По его окружности вмонтированы шесть постоянных магнитов. Ротор имеет собственную рабочую ось, приводимую во вращательное движение внешней силовой установкой. В основу механизма физических процессов настоящего магнитного генератора электрического тока заложена известная из электротехники магнитная и электромагнитная индукция. При таком техническом решении может быть создан конструктивно новый вид электротехнического устройства для производства электроэнергии, которое исполнено из отдельных независимых друг от друга механически и электротехнически агрегатов со свободным доступом для осмотра и ремонта статора и ротора. Кроме того, это дает возможность при определенном расположении магнитов на пассивном роторе по отношению к рабочим зазорам магнитоприемников, а также при определенных углах сдвига постоянных магнитов по отношению к магнитоприемникам, получать на выходе генератора переменные токи и напряжения необходимой формы в 1, 2, 3-фазном видах; постоянные по направлению и силе тока со знаком "+"; постоянные по направлению и силе тока со знаком "-"; постоянного тока в линии со знаком "
". Указанные токи, напряжения, их формы в настоящем генераторе можно получить путем соединения обмоток магнитоприемников статоров по известной в электротехнике схеме соединения обмоток. В качестве основных элементов генератора применены два однотипных одинаковых статора независимых механически и электрически друг от друга, ротора и остальных частей устройства. Данный генератор электрического тока свободен от физико-технических перенапряжений тяжелых условий работы, которые присущи известным в электротехнике современным электрическим машинам. Сопоставительный анализ с наиболее близким аналогом показывает, что заявляемый "магнитный генератор электрического тока" отличается от него тем, что ротор и статоры являются самостоятельными, раздельными и независимыми в конструкции и механике и отделены друг от друга как гальванически, так и в схематическом решении проблемы, что соответствует критерию "новизна". Сравнение заявляемого решения не только с прототипом, но и с другим техническими решениями в данной области техники не позволило выявить в них признаки, отличающие заявляемое решение от прототипа, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию "существенное отличие". Изобретение поясняется чертежом, где на фиг. 1 и 2 изображен общий вид магнитного генератора электрического тока, вид сбоку и спереди, а цифрами обозначены его основные детали магнитообразующие и генерирующие ЭДС устройства, и отдельные агрегаты в целом. Магнитный генератор электрического тока содержит два статора 1 правый и левый и размещенный между ними ротор 2 с постоянными магнитами 3, обращенными к каждому из статоров 1 одноименными полюсами. Статоры 1 и ротор 2 выполнены из немагнитного материала. На статорах 1 установлены магнитоприемники 4, набранные из листов электротехнической стали, на которых размещены катушки обмотки 5. Статоры 1 установлены на основаниях 6, которые закреплены на железобетонном основании 7. Ротор 2 также выполнен из немагнитного материала (сплавы алюминия, бронзы и т.п.) и имеет центральное отверстие для крепления рабочей оси 8, которая закреплена на основании 9 в шарикоподшипниках 10. Отверстия, болты, их расположение и другие детали показаны на фиг. 1 и 2. На фиг. 3 чертежа показана половина пластины для набора сердечника 11 магнитоприемника 4; на фиг. 4 чертеж в сборе магнитоприемника из двух половин пластин 12 и электротехнической стали (пармалой, феррит), где показаны рабочий зазор 13 магнитоприемника 4, рабочий зазор 14 между магнитоприемником 4 и магнитом 5 ротора 2, каркасы 15 катушек обмотки 5 из медных проводов 16, зазор 17 для регулировки магнитного поля в сердечнике 11. На фиг.5 показано крепление магнита 5. Сердечник ротора 11 магнитоприемника 4 собирают из материала с большой магнитной проницаемостью, которым может быть специальная электротехническая сталь толщиной 0,35-0,5 мм. Каждый такой лист стали сердечника 11 магнитоприемника 4 изолируется друг от друга специальным клеем или специальной пленкой. Для фиксации ширины рабочего зазора 13 магнитоприемника 4 он заполняется прокладкой из фосфортовой бронзы, или заменяющим ее немагнитным материалом. Рабочий зазор 17 может быть воздушным. Конструктивно сердечник 11 магнитоприемника 4 набирается из определенного числа половин пластин 12. Набор пакета сердечника 11 может быть от 50 см до нескольких метров. Собранный сердечник 11 магнитоприемника 4 устанавливается на свое место в пассивном статоре 1 с помощью двух кольцевых "обручей" с соответствующими отверстиями, через которые проходят болты крепления "обручей" магнитоприемников 4 и магнитов 3 с противоположных сторон статора 1. Детальная операция этой работы изображена на фиг.5. Работа магнитного генератора электрического тока заключается в том, что с помощью привода посторонней механической силы, действующей на рабочую ось 8 магнитного ротора 2, он начинает вращаться вокруг своей оси 8, увлекая вместе с собой в это круговое движение постоянные магниты 3, которые при вращении, проходя мимо рабочего зазора 13 магнитоприемников 4 статоров 2, создают в его сердечнике 11 переменное магнитное поле, которое в свою очередь наводит ЭДС в обмотках 5 магнитоприемников 4, которая с помощью соединительных проводников выводится на соответствующие клеммы. После достижения магнитным ротором 2 необходимых оборотов и показания электроизмерительным киловольтметром расчетного напряжения к выходу генератора подключается нагрузка. Может быть предпринята попытка перевода генератора в режим самовозбуждения. Данный магнитный генератор электрического тока устанавливается и монтируется в отдельном небольшом электротехническом помещении, в котором предусмотрены вытяжные и приточные вентиляторы, соответствующие электроизмерительные приборы, силовой коммутатор, трансформатор(ры) и защиты цепей машины и др. При этом никаких других операций или регулировок дополнительно производить не требуется. Применение на практике данного технического решения даст выгодный положительный эффект в вопросе экономии металла, резкого улучшения качественных показателей работы предлагаемого генератора во всех технических отношениях, упрощая и удешевляя все процессы от проекта до изготовления и эксплуатации электрических машин.Формула изобретения
Магнитный генератор электрического тока, содержащий два статора с обмотками и размещенный между статорами ротор с постоянными магнитами, обращенными полюсами к статорам, отличающийся тем, что статоры и ротор выполнены из немагнитного материала, на статорах установлены магнитоприемники, набранные из листов электротехнической стали, на которых размещены катушки обмотки, а магниты обращены к каждому из статоров одноименными полюсами.РИСУНКИ
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5www.findpatent.ru
Электрический генератор
Содержание
- 1 История
- 1.1 Динамо-машина Йедлика
- 1.2 Диск Фарадея
- 1.3 Динамо-машина
- 1.4 Другие электрические генераторы, использующие вращение
- 1.5 МГД генератор
- 2 Классификация
- 3 Электромеханические индукционные генераторы
- 3.1 Классификация электромеханических генераторов
- 4 См. также
- 5 Ссылки
История
Динамо-машина Йедлика
В 1827 венгр Аньош Иштван Йедлик начал экспериментировать с электромагнитными вращающимися устройствами, которые он называл электромагнитные самовращающиеся роторы. В прототипе его униполярного электродвигателя (был завершен между 1853 и 1856) и стационарная и вращающаяся части были электромагнитные. Он сформулировал концепцию динамо-машины по меньшей мере за 6 лет до Сименса и Уитстона, но не запатентовал изобретение, потому что думал, что он не первый, кто это сделал. Суть его идеи состояла в использовании вместо постоянных магнитов двух противоположно расположенных электромагнитов, которые создавали магнитное поле вокруг ротора. Изобретение Йедлика на десятилетия опередило его время.
Диск Фарадея
Диск ФарадеяВ 1831 Майкл Фарадей открыл принцип работы электромагнитных генераторов. Принцип, позднее названный законом Фарадея, заключался в том, что разница потенциалов образовывалась между концами проводника, который двигался перпендикулярно магнитному полю. Он также построил первый электромагнитный генератор, названный «диском Фарадея», который являлся униполярным генератором, использовавшим медный диск, вращающийся между полюсами подковообразного магнита. Он вырабатывал небольшое постоянное напряжение и сильный ток.
Конструкция была несовершенна, потому что ток самозамыкался через участки диска, не находившиеся в магнитном поле. Паразитный ток ограничивал мощность, снимаемую с контактных проводов и вызывал бесполезный нагрев медного диска. Позднее в униполярных генераторах удалось решить эту проблему, расположив вокруг диска множество маленьких магнитов, распределённых по всему периметру диска, чтобы создать равномерное поле и ток только в одном направлении.
Другой недостаток состоял в том, что выходное напряжение было очень маленьким, потому что образовывался только один виток вокруг магнитного потока. Эксперименты показали, что используя много витков провода в катушке можно получить часто требовавшееся более высокое напряжение. Обмотки из проводов стали основной характерной чертой всех последующих разработок генераторов.
Однако, последние достижения (редкоземельные магниты), сделали возможными униполярные двигатели с магнитом на роторе, и должны внести много усовершенствований в старые конструкции.
Динамо-машина
Основная статья Динамо-машина
Динамо-машина стала первым электрическим генератором, способным вырабатывать мощность для промышленности. Работа динамо-машины основана на законах электромагнетизма для преобразования механической энергии в пульсирующий постоянный ток. Постоянный ток вырабатывался благодаря использованию механического коммутатора. Первую динамо-машину построил Ипполит Пикси в 1832.
Пройдя ряд менее значимых открытий, динамо-машина стала прообразом, из которого появились дальнейшие изобретения, такие как двигатель постоянного тока, генератор переменного тока, синхронный двигатель, роторный преобразователь.
Динамо-машина состоит из статора, который создает постоянное магнитное поле, и набора обмоток, вращающихся в этом поле. На маленьких машинах постоянное магнитное поле могло создаваться с помощью постоянных магнитов, у крупных машин постоянное магнитное поле создается одним или несколькими электромагнитами, обмотки которых обычно называют обмотками возбуждения.
Большие мощные динамо-машины сейчас можно редко где увидеть, из-за большей универсальности использования переменного тока на сетях электропитания и электронных твердотельных преобразователей постоянного тока в переменный. Однако до того, как был открыт переменный ток, огромные динамо-машины, вырабатывающие постоянный ток, были единственной возможностью для выработки электроэнергии. Сейчас динамо-машины являются редкостью.
Обратимость электрических машин
Русский учёный Э. Х. Ленц ещё 1833 г. указал на обратимость электрических машин: одна и та же машина может работать как электродвигатель, если её питать ток
www.turkaramamotoru.com
§68 Переменный электрический ток. Генератор электрического тока.
Часть XI. Переменный электрический ток.
§68 Переменный электрический ток.
Не будет большим преувеличением, если сказать, что современная цивилизация построена на производстве, передаче и использовании энергии электрического тока. Причем, в быту, на транспорте, в промышленности главным образом используются механизмы, работающие на переменном электрическом токе. В данном параграфе мы рассмотрим основные физические принципы работы цепей переменного электрического тока.
68.1 Генератор электрического тока.
В качестве источников переменного тока используются генераторы переменного электрического тока, принцип действия которых основан на явлении электромагнитной индукции. Работу такого генератора рассмотрим с помощью упрощенной схемы, показанной на рис. 648.
рис. 648 Проволочная рамка (ротор), прикрепленная к валу, может вращаться в зазоре между полюсами постоянных магнитов (которые называются статором). Выводы проволочной обмотки рамки соединены с проводящими кольцами, расположенными на валу. С этими кольцами соприкасаются скользящие контакты (щетки), с помощью которых осуществляется электрический контакт между обмоткой рамки и внешней электрической цепью, для которой генератор служит источником ЭДС. Вал соединен с некоторым двигателем (например, турбиной), который заставляет рамку вращаться с некоторой постоянной угловой скоростью ω. Для обеспечения вращения к валу постоянно прикладываться некоторый момент сил M. Будем считать, что магниты создают однородное магнитное поле индукции B (рис. 649).
рис. 649 Положение рамки будем характеризовать углом поворота φ, который образует нормаль n к плоскости рамки с направлением вектора индукции поля B. При вращении рамки изменяется магнитный поток через нее, поэтому в ней индуцируется ЭДС. Так как с помощью токосъемника (колец и щеток) рамка соединена с внешней электрической цепью, то в рамке и внешней цепи возникает электрический ток. При равномерном вращении рамки угол поворота изменяется по закону
Магнитный поток через рамку также изменяется с течение времени, его зависимость определяется функцией
где S − площадь рамки, кроме того, считаем, что обмотка рамки содержит один виток. По закону электромагнитной индукции М. Фарадея ЭДС индукции, возникающая в рамке равна
Как следует из этого выражения, ЭДС индукции изменяется по гармоническому закону, с частотой равной угловой скорости вращения рамки. Таким образом, мы показали, что рассмотренное устройство действительно является источником переменной ЭДС. Покажем теперь, что рассматриваемый генератор преобразует механическую энергию двигателя в энергию электрического тока. Пусть к генератору подключена внешняя цепь, полное сопротивление1 которой равно R. В соответствии с законом Ома сила тока в цепи будет равна
Так как рамка с током находится в магнитном поле, то на ее стороны действуют силы Ампера, тормозящие движение рамки. Ранее мы показали, что момент сил Ампера, действующий на рамку с током, находящуюся в однородном магнитном поле, определяется формулой
где φ − угол, который образует нормаль к контуру с направлением вектора индукции поля (в нашем случае, этот же угол, который фигурировал в предыдущих формулах). Учитывая зависимости угла поворота (1) и силы тока (4) от времени, получим, что, в рассматриваемом случае тормозящий момент сил Ампера зависит от времени по закону
Для вращения с постоянной угловой скоростью к рамке должен прикладываться такой же по модулю момент внешних сил, создаваемый двигателем. Таким образом, мощность, которую должен развивать двигатель, рассчитывается по формуле
Принимая во внимание выражение (4) для силы тока, полученное выражение представляется в виде
что совпадает с мощностью электрического тока, которая определяется законам Джоуля-Ленца. Итак, мы показали, что энергия индуцированного тока в точности равна работе сил, вращающих рамку генератора. Конечно, промышленные электрические генераторы (рис. 650) устроены сложнее, чем рассмотренный нами.
рис. 650 Вместо рамки с одним витком используется ротор, содержащий несколько обмоток с большим числом витков. Сильное магнитное поле создается статором, образованном электромагнитами. Во многих генераторах электрический ток индуцируется в неподвижных обмотках, а магнитное поле создается вращающимися электромагнитами. В этом случае через подвижные контакты передается гораздо меньший электрический ток электромагнитов, чем индуцированный электрический ток. 1В реальности обмотка генератора и внешняя цепь обладают индуктивностью, кроме того? внешняя цепь может содержать элементы, обладающие электрической емкостью, поэтому расчет силы тока и его энергетических характеристик более сложен, чем рассматривается в данном разделе. Эти расчеты будут проведены в дальнейшем, здесь же мы рассматриваем простейшую ситуацию для того, чтобы продемонстрировать основную идею.
fizportal.ru
| Генераторы электрического тока Электрический ток вырабатывается в генераторах - устройствах, преобразующих энергию того или иного вида в электрическую энергию. К генераторам относятся гальванические элементы, электростатические машины, термобатареи, солнечные батареи и т.п. Область применения каждого из перечисленных видов генераторов электроэнергии определяется их характеристиками. Так, электростатические машины создают высокую разность потенциалов, но неспособны создать в цепи сколько-нибудь значительную силу тока. Гальванические элементы могут дать большой ток, но продолжительность их действия невелика. Преобладающую роль в наше время играют электромеханические индукционные генераторы переменного тока. В этих генераторах механическая энергия превращается в электрическую. Их действие основано на явлении электромагнитной индукции. Такие 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, в которой индуцируется переменная ЭДС (в рассмотренной модели 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 Ф=BS через каждый виток. 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. Этим обеспечивается наибольшее значение потока магнитной индукции. В больших промышленных генераторах вращается 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 приходиться при помощи скользящих контактов. Для этого ротор снабжается контактными кольцами, присоединенными к концам его обмотки. 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 же валу. 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. Ремонт генераторов достаточно сложен. Генераторы бывают следующих видов: бензиновые генераторы, дизельные генераторы, газовые генераторы, ветровые генераторы, и т.д. Генератор - от латинского слова generator – производитель. Электрогенератор (электростанция ) - устройство (агрегат) производящее (вырабатывающее) электрическую энергию. В быту используются, как правило, бензогенераторы или дизельные генераторы. Бензогенератор – электростанция, у которой в качестве первичного двигателя используется бензиновый двигатель внутреннего сгорания. Бензогенераторы в основном применяются как источники резервного питания. Основное применение бензиновых электростанций - источник энергии с продолжительностью непрерывной работы от 7 до 11 часов. Бензиновые электростанции незаменимы в случае отключения электричества. Кроме того, такие электростанции можно применять в тех местах, где нет электроэнергии (в горах, лесах). Дизельный генератор ( дизельная электростанция ) – электростанция, у которой для привода электрического генератора используется дизельный двигатель. Применяется в Инверторный генератор - инверторный источник питания, электростанция (бензогенератор ), в котором используется инверторная система с регулятором широтно-импульсной модуляции (ШИМ) для более высокого качества электроэнергии (стабильность выходного напряжения и частоты). Бензиновые генераторы инверторного типа отличаются существенной экономией топлива благодаря электронной системе зажигания и электронному регулятору оборотов двигателя в зависимости от нагрузки. Функция переключения двигателя в экономичный режим расхода топлива позволяет управлять работой бензогенератора при малой нагрузке. Инверторные генераторы незаменимы как источник резервного питания для электронного оборудования. Такие электростанции рекомендуются применять в организациях использующих различную электронную технику. Стабилизатор напряжения - устройство для автоматического поддержания заданного напряжения. Стабилизатор надёжно защитит технику от повышенного или пониженного напряжения и сетевых помех. Это устройство обеспечит качественное электроснабжение и значительно увеличит срок службы электроприборов. Стабилизаторы напряжения могут быть разделены по типу стабилизации напряжения и количеству фаз. |
generator.3dn.ru
