Принцип дії генератора струму: як він працює?

Основні деталі конструкції

Перші досліди з отриманням електроенергії проводив Майкл Фарадей в кінці 19 століття. З тих пір генератори набули широкого поширення, оскільки стали основними джерелами електричної енергії. Всі види енергії, що використовуються для отримання електрики, в кінці кінців, обертають ротор генеруючої електричної машини, яка також може бути і двигуном.

Крім ротора в такій машині є статор, який нерухомий щодо ротора і служить корпусом машини. Завдання ротора в генераторі - створити обертове магнітне поле. При цьому в обмотках статора з`явиться напруга. Конструкції електрогенераторів засновані на електромагнітної індукції: провід, розташований в змінюваному магнітному полі стає джерелом електрорушійної сили.

Для збільшення ЕРС з дроту робляться витки, що утворюють в обмотку. Таких обмоток, званих якорем, на статорі машин змінного струму та на роторі машин постійного може бути від однієї до кількох залежно від конструкції машини. Посилення магнітного поля всередині обмоток забезпечується сердечником зі спеціального матеріалу - феромагнетика. Цим матеріалом можуть бути різні сплави на основі заліза і деяких інших металів.

різновиди генераторів

існують електрогенератори постійного і змінного струму. Постійний струм забезпечується колектором зі щітками, які є частиною ротора.

Щітки є також і в деяких конструкціях синхронних генераторів змінного струму. Використовуються щітки разом з кільцями для харчування ротора синхронної машини від зовнішнього джерела, яка одночасно може бути і генератором і двигуном.

Колектор в електрогенераторах постійного струму є самим проблемним пристроєм. І колектор і щітки зношуються через іскріння в місці контакту, що також обмежує і область використання через вибухонебезпечності. Генератори змінного струму з випрямлячами успішно замінюють електрогенератори постійного струму.

Процес створення намагнічування ротора називається збудженням. Для створення ЕРС в якорі магнітне поле в роторі синхронної машини може бути створено

• постійними магнітами;
• електромагнітами.

Електромагніти дозволяють отримати більш ефективне і при цьому відключається в деяких конструкціях збудників магнітне поле. Постійний струм необхідний для цього, надходить через кільця. З появою потужних випрямних діодів їх в деяких моделях синхронних машин мають у своєму розпорядженні на роторі. Це дозволяє виключити з машини ковзають контакти - кільця і щітки.

У міру розвитку електротехніки та промисловості виявилося, що трифазне напругу з частотою 50 - 60 Гц найбільш зручно для промислового використання. Щоб отримати таку напругу потрібно магнітне поле від двополюсного магніту, що обертається зі швидкістю 3000 - 3600 оборотів в хвилину.

При цьому він переміщається між трьома обмотками, які розташовуються на вершинах уявного рівностороннього трикутника (Рис.1) Щоб посилити магнітне поле в осерді кожну обмотку поділяють навпіл і мають у своєму розпорядженні на одній лінії з кожного боку ротора (Рис.2).

рис.1	рис.2

Якщо число полюсів подвоїти швидкість обертання ротора зменшиться в два рази і так далі. На теплових електростанціях використовуються парові турбіни, які обертаються з великою швидкістю. Тому в генераторах цих електростанцій застосовуються двополюсні ротори. На гідроелектростанціях турбіни обертаються набагато повільніше, і число полюсів електрогенератора може досягати сорока.

Оскільки населення отримує фазні напруги від трифазних трансформаторів, при відсутності централізованого електропостачання для різних побутових цілей виробляються малопотужні однофазні електрогенератори. Пристрій таких міні - генераторів таке ж - обертовий ротор і статор, але з однією обмоткою. Малопотужні моделі мають ротор з постійними магнітами, більш потужні - з електромагнітами і харчуванням від статора. Обертання забезпечують бензинові і дизельні двигуни.

Автомобільний електрогенератор є ще одним масовим пристроєм. Він є в кожному автомобілі. Його завдання - підзарядка акумулятора, а обертання забезпечує двигун автомобіля. Це синхронна машина з випрямлячем струму якоря на діодах. Порушення забезпечується акумулятором. Струм, що надходить в акумулятор від генератора, підтримується на певному рівні спеціальним стабілізатором, який управляє порушенням електрогенератора. Це необхідно через нестабільність оборотів автомобільного двигуна.

Якщо накоротко замкнути щітки синхронної машини вона перетворитися в асинхронну машину. Причому для асинхронних машин кільця і щітки не потрібні зовсім, оскільки кінці обмотки ротора, просто з`єднуються один з одним. Щоб з`явився струм в обмотках статора, до них підключають конденсатор. Залишковий магнітне поле в роторі створить ЕРС в конденсаторної ланцюга якоря і з`явиться струм, що підсилює магнітне поле ротора.

Цей ефект залежить від властивостей матеріалу сердечника, швидкості обертання, параметрів конденсатора. Напруга і частота в асинхронної машині виходять менш стабільними, ніж в синхронній машині через так званого ковзання. Щоб виникала електромагнітна індукція, частота струму в роторі повинна бути більше ніж частота струму в статорі. Інакше провідник ротора НЕ буде переміщатися щодо магнітного поля статора. І в цьому провіднику чи не з`явиться ЕРС. В цьому суть ковзання.

Синхронні та асинхронні машини є найбільш поширеними видами електрогенераторів. І це надовго. Альтернативних пристроїв поки що не спостерігається.