Генератор змінного струму: як влаштований?

Після відкриття явища електромагнітної індукції М. Фарадеєм в 1831 році були винайдені різноманітні електричні машини. електрогенератори серед них є основою всіх сучасних електромереж. Вони є джерелами електроенергії і першими визначають її кількість і якість. Перш ніж з`являється можливість використання електрики споживачами необхідно не один раз виконати перетворення напруги для зменшення втрат визначаються передачею електроенергії.

З цієї причини найбільш ефективними вже довгий час є електромережі зі змінним напругою і струмом. Їх частота в різних країнах вибирається або 50, або 60 Герц, тому що ці значення знову-таки найбільш економічно виправдані на нинішньому етапі розвитку науки і техніки. На самому початку будь-якої електричної мережі знаходиться один або кілька синхронних генераторів змінного струму.

Принцип роботи

Щоб в провіднику з`явився електрострум, силові лінії магнітного поля повинні бути рухливими щодо цього провідника. З цією метою в генераторі змінного струму рухливий обертається магніт, який своїм магнітним полем перетинає нерухомі провідники. Він розташований на валі, що обертається зовнішнім джерелом механічної енергії.

Вал з магнітом називається ротором або індуктором. Конструктивно ротор може бути виконаний як з постійним магнітом із спеціального магнітного матеріалу, так і з електромагнітом. Така електрична машина називається синхронної, оскільки магнітне поле в ній обертається разом з ротором.

Для отримання найбільш ефективного магнітного поля найбільшого поширення набула конструкція з ротором, виготовленим зі спеціальних сплавів у вигляді сердечника охопленого витками обмотки, по якій тече постійний струм. Обмотка називається як «обмотка збудження». Джерело струму збудження може бути як зовнішнім, так і вбудованим в ротор. Зовнішнє джерело підключається до двох нерухомих щіток.

Останні розташовані на підставі, щодо якого обертається ротор, і утворюють ковзаючі контакти з двома відповідними кільцями, розташованими на роторі. Вбудований джерело є окремою обмоткою з випрямлячем змінного струму. Його перевага полягає в тому, що ковзаючі контакти виключені з такої конструкції. Ротори можуть конструктивно відрізнятися. Вони робляться явнополюснимі, неявнополюсними, забезпечуються демпферними обмотками.

Для того щоб отримати необхідне значення частоти струму і напруга треба за одиницю часу отримати певну кількість перетинів силових ліній магнітного поля з провідником. З метою найбільш ефективної взаємодії магнітного поля і провідника він виконаний у вигляді витків обмотки розташованих на осерді зі спеціального сплаву. Таких сердечників робиться стільки, скільки буде потрібно відповідно до розв`язуваної технічним завданням.

Вони розташовуються навколо ротора і називаються статором. Кожен сердечник статора складається з двох частин, між якими з деяким зазором розташований ротор. Ці дві частини утворюють так звану пару полюсів електрогенератора. При обертанні протилежні магнітні полюси ротора переміщаються повз протилежних частин сердечника статора.

Пари полюсів розташовуються на підставі щодо якого переміщається ротор. Конструктивно це основа виконана у вигляді корпусу генератора змінного струму. Статор, щітки, кільця і ротор приховані всередині корпусу. З нього виступає вал і клеми щіток. При обертанні вала зовнішньою силою наприклад турбіною статор є джерелом Е.Д.С. Частота напруги і струму в статорі залежать від того скільки разів за одиницю часу магнітний полюс ротора переміщається повз сердечників статора.

конструктивні різновиди

Тому впливати на частоту напруги і струму можна або швидкістю обертання ротора, або числом пар полюсів, або і тим і іншим разом. При уповільненні швидкості обертання ротора для збереження частоти напруги і струму слід збільшувати число пар полюсів. Цим відрізняються генератори теплових електростанцій від генераторів гідроелектростанцій і вітряків.

Парова турбіна обертається швидко, а гідротурбіна - повільно. Але при цьому частота напруги і струму, які виробляють обидва цих генератора однакові. Однак у генератора гідроелектростанції число пар полюсів в кілька разів більше, і вони найчастіше робляться з явнополюснимі роторами. Генератори на теплових електростанціях через великих швидкостей обертання в 1500 і 3000 об / хв робляться з неявнополюсними роторами. Число пар полюсів залежить і від кількості фаз. Однією фазі відповідає одна пара полюсів статора. Тому трифазні варіанти містять три пари полюсів, як мінімум.

• Просторове розташування пар полюсів у багатофазних генераторах визначає фазовий зсув напруг і струмів в фазних обмотках.

Просторове розташування генераторів в робочому стані по положенню осі обертання ротора може бути як горизонтальним, так і вертикальним. Робота з парової або газовою турбіною через великі відцентрових навантажень передбачає тільки горизонтальне розташування, мінімально можливий діаметр і максимально можливу довжину генератора. Приклад такої електричної машини показаний на зображенні нижче:

На гідроелектростанціях в залежності від напору води можуть використовуватися як горизонтальні, так і вертикальні конструкції цих електричних машин. Існують спеціальні конструкції явнополюсних генераторів відносно невеликих потужностей близько десяти кіловат. У них індуктор (яким зазвичай є ротор) нерухомий, а якір (яким зазвичай є статор) обертається. Електроенергія, що виробляється через кільця і щітки надходить в навантаження.

Ще одним різновидом джерела електричної енергії є асинхронний генератор змінного струму. Він має найбільш просту конструкцію і високу надійність. Але його енергетичні характеристики, стабільність частоти напруги і струму невеликі в порівнянні з синхронними машинами. Це обмежує область використання асинхронних генераторів. Вони застосовуються лише там, де необхідна простота, надійність і найменші витрати.