Как составить формулу для генератора

Для аксиальных генераторов есть некоторые особенности. При расчёте нужно учитывать те витки катушек фазы, которые попадают под магниты. При этом если магнит шире половины катушки или даже перекрывает её полностью то считаются витки катушки как они есть. Но если на катушки фазы приходится по два магнита, которые встают так что один магнит перекрывает одну половину катушки, а второй магнит противоположным полюсом перекрывает вторую половину катушки, то напряжение этой катушки будет в два раза больше. Это происходит из-за того что ЭДС половинок катушки складывается и в результате напряжение катушки будет в два раза выше. И это надо учитывать в формуле, где можно тогда указать или магнитную индукцию в два раза выше, или количество витков умножить на 2.

Чтобы понять как будут магниты перекрывать катушки нужно нарисовать расположение магнитов и катушек. Бывает так что один магнит перекрывает половину катушки, а второй перекрывает только половину витков второй половины катушки, в этом случае будет работать в определённый момент времени только одна половина катушки, и половина витков второй половины катушки. Эти факторы сильно влияют на конечный результат расчёта, и в итоге на реальный генератор.

Пример расчёта генератора

Для примера я нарисовал схему обычного и часто повторяемого аксиального дискового генератора. Здесь 9 катушек на 12 пар магнитов, кто то делает на круглых магнитах, кто то на прямоугольных, а что лучше вы должны понять сами. Не скажу что так делать правильно, но давайте разберём то что есть.

Данные генератора такие: Диаметр дисков 32 см, магниты марки N52, по 12 штук на дисках, размером 50*30*10 мм, расстояние между магнитов — воздушный зазор 15 мм. Катушки намотаны проводом 2 мм по 60 витков, толщина статора 10 мм. Какое напряжение будет у этого генератора, и какая мощность при работе на аккумулятор?

Для начала давайте найдём ЭДС одного витка, то-есть его напряжение при 1 об/с = 60 об/м.

Е — ЭДС индукции (напряжение проводника)
В — магнитная индукция (Тл)
L — длина проводника (метр)
V — скорость движения проводника (метр/с)

Берём примерную магнитную индукцию из таблицы, у нас зазор между магнитов на 50% больше толщины магнитов, значит магнитная индукция будет примерно 0.5 Тл. Активная длина проводника у нас по высоте магнита, это 50 мм, или 0.05 метра. Скорость движения проводника, в данном случае движутся магниты, поэтому считаем скорость движения магнитов. Берём средний диаметр по магнитам, он равен 28 см, длина окружности 87.96 см. Значит за один оборот магниты проходят 0.88 метра.

Данны есть и теперь остаётся подставить их в формулу: 0.5*0.05*0.88=0.022 вольта, это ЭДС одного витка

Теперь смотрим на рисунок выше и смотрим как магниты перекрывают катушки фазы. Я отметил одну фазу на рисунке и пронумеровал катушки. Смотрим на катушку номер 1. Видно что половина катушки перекрыта магнитом N, и лишь половина второй половины катушки перекрыта магнитом S. Вот эти витки и нудно учитывать при расчёте, то-есть 60 витков одной половины катушки и 30 витков второй половины.

Смотрим на катушку фазы номер 2, там одна половина полностью перекрыта магнитом, а вторая не полностью, порядка 80%. Значит всего витков будет 60 одной половины и 50 витков второй половины.

Смотрим на катушку фазы номер 3, Там перекрытие магнитами витков порядка 90%, это значит что 100 витков примерно работают в обеих половинах катушки. Витки в обеих половинах катушки работают только когда над половинками катушки магниты противоположных полюсов. Если будет один магнит, и он перекрывает всю катушку, то будет работать только половина катушки, и то в тот момент когда магнит на половину зайдёт на катушку.

В итоге получилось 280 рабочих частей витков катушек фазы. Это значит что при 60 об/м будет 280*0.022=6.16 вольта. То-есть мы вычислили напряжение фазы, и это напряжение линейно зависит от оборотов, значит при 600 об/м будет 61.6 вольта. А зарядка АКБ 12в начётся при 120 об/м при параллельном соединении фаз, которые должны быть предварительно выпрямлены через диодные мосты.

Но у нас обычно генераторы соединяют звездой. А при соединении звездой напряжение обычно вырастает на 1,7, но в реальном генераторе нужно смотреть на то какое напряжение в соседней фазе. Но обычно оно так и получается, поэтому оставим это на погрешности и будем считать что так оно и есть. 3начит при соединении звездой при 60 об/м мы получим 6.16*1.7=10.4 вольта.

Мощность генератора на заряд аккумуляторов

Зная напряжение генератора и его сопротивление можно вычислить ток заряда аккумулятора, ну если перемножить ток на напряжение то мы получим мощность. Напряжение генератора мы знаем, при соединении звездой напряжение 10 вольт. А сопротивление можно вычислить, у нас по 60 витков в катушках, по три катушки на фазу, средняя длина витка 0.3 метра, значит 0.3*60*3= 54 метра провода в фазе. Провод диаметром 2 мм, сопротивление одного метра такого провода 0.0059 Ом. Тогда 54*0.0059=0.31 Ом, а при соединении звездой сопротивление будет выше в два раза — 0.62 Ом. Плюс потери в проводах и на диодном мосту и можно округлить до 1 Ом, но потери могут быть гораздо больше. Правильней будет считать измерив сопротивление уже внизу на концах проводов, которые подключаются к АКБ.

Чтобы вычислить ток заряда АКБ нужно от напряжения холостого хода вычесть падение напряжения. Например напряжение генератора при 300 об/м 40 вольт, при подсоединении к АКБ напряжение упадёт до 13 вольт, значит падение напряжения 40-13=27 вольт.Далее получившеюся сумму разделить на сопротивление генератора, и получится ток заряда АКБ.

У нашего генератора 20 вольт при 200 об/м, 20-13=7 вольт, делим на наше сопротивление 1 Ом, и получится 7:1=7 ампер. Ток заряда при 200 об/м будет 7 Ампер. Чтобы узнать мощность перемножаем ток на напряжение и получаем 7*13 = 91 ватт. Так например при 600 об/м будет 100 вольт в холостую, 100-13:1= 87 Ампер, а мощность 1131 ватт. Если от ветрогенератора до АКБ будут установлены провода с очень низким сопротивлением приближающимся к нулю то от генератора будет ещё больше мощности так-как потерь меньше.

Далее остаётся подобрать подходящий под генератор винт, нужно чтобы винт подходил по мощности и оборотам к генератору. По-этому делается предварительный расчёт генератора и подбор винта к нему. Данные по мощности и оборотам винтов можно взять на сайте seiger.pp.ua (аэродинама), или в программе по расчёту лопастей из труб. Так например к этому генератору подойдет винт диаметром примерно 3 метра, и мощность готового ветряка будет около 0.8кВт при ветре 10-12м/с. При этом КИЭВ винта должен быть не менее 0.4, а быстроходность не менее Z6.

Если вам не нравится что например или зарядка поздно начинается или перебор по мощности, то изменяйте количество витков в генераторе, его сопротивление, подгоняйте под винт. Ну и винт корректируйте под генератор. В итоге когда устроят все параметры то можно приступать к изготовлению ветрогенератора. Также хочу отметить что при подборе винта учтите КПД генератора. Чем больше падение напряжения при заряде АКБ тем хуже КПД генератора.

Источник

Расчет мощности генератора для дома и дачи: калькулятор, формулы, советы

Подбор мощности — первый, и самый важный шаг при выборе генератора.
Изначально необходимо определиться, для каких целей необходим бензиновый или дизельный генератор. Если планируется редкое подключение генератора для разовых задач, то класс электростанции может быть бытовым, что существенно влияет на её стоимость.
Если основной задачей генератора будет полноценное обслуживание загородного дома, то агрегат должен относиться к профессиональному классу, и характеризоваться огромным запасом мощности и исключительной надежностью.
Наиболее часто используемые генераторы для частного дома должны иметь мощность не менее 3 кВт. Загородный дом необходимо обеспечить генератором, мощностью не менее 5 кВт. Ну а для офисного помещения, либо же для питания электроприборов в магазине, потребуется бензиновый генератор значительно большей мощности.
Если Вы не знаете, как рассчитать мощность генератора для дома, а его покупка уже не за горами, рекомендуем ознакомиться с информацией, представленной в данной статье. Полная информация о всех нюансах при выборе генератора предоставлена в статье «Как выбрать генератор».

ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫЙ РАСЧЕТ МОЩНОСТИ ГЕНЕРАТОРА

1 шаг — Составление списка

Прежде чем выполнять рассчет мощности генератора, необходимо составить перечень возможного оборудования и приборов, которые будет питать агрегат. В технической документации (инструкции по эксплуатации) к бытовой технике и оборудованию, которые находятся в вашем доме, указана мощность каждого изделия. Впрочем, мощность бытовой техники можно найти не только в паспорте, но и на самом его корпусе. Выписываем мощность рядом с названием техники. Например, так:

Электрочайник = 1,5 кВт и так далее.

Перечень может быть очень длинным. В список необходимо включить все электрические приборы, и строительные инструменты (при необходимости).

2 шаг — Учитываем коэффициент стартовой нагрузки

Коэффицитент пускового тока отражает, на какое значение кратковременно увеличится потребляемая мощность оборудования в момент его запуска. Это временное значение, которое обязательно нужно учитывать при выборе мощности генератора. Посмотреть необходимый коэффициент можно в паспорте любого электроприбора, выглядит он таким образом — cos φ. В момент подключения к сети, электрооборудование дает увеличение нагрузки, которое может в несколько раз превышать номинальную мощность. Увеличение мощности происходит кратковременно, затем, прибор будет работать с заявленной мощностью, но секундные перегрузки надо обязательно учитывать. Для нагревательных приборов, таких как утюги, лампочки, обогреватели, коэффициент пускового тока равен 1, то есть стартовая мощность не увеличивается. Телевизоры имеют cos φ = 1,1. При заявленной мощности телевизора 100 Вт/ч (значение не номинальное, у каждой модели оно разное) учитываем мощность 110 Вт. Умножаем 100 Вт на 1,1 и получаем 110 Вт. Эту цифру и записываем в строку с телевизором. Так же делаем и с остальными бытовыми приборами. Наш список приобретает такой вид:

Холодильник 300 Вт cos φ = 3 учитываемая мощность 900 Вт

Телевизор 100 Вт cos φ = 1,1 учитываемая мощность 110 Вт

Электрочайник 1,5 кВт cos φ = 1 учитываемая мощность 1,5 кВт и так далее.

Таблица пусковых токов бытовых приборов

3 шаг – Корректируем список

Возвращаемся к списку, вычеркиваем те приборы, без которых можно легко обойтись, и выбыраем то оборудование, без которого никак нельзя. Сюда можно отнести: осветительные приборы, насосную станцию, холодильник, электрочайник, электрическую плиту. Следует учесть пору года. Ведь для зимних месяцев необходимо отопление, которое может поддерживаться либо работой газового котла, либо отоплением полов, либо и тем, и другим, и дополнительными батареями. Телевизор и компьютер могут считаться скорее развлечением, но они тоже являются неотъемлемой частью нашей жизни. Хотя, компьютер — рабочий инструмент, который должен быть всегда под рукой, как и подключение к интернет, без которого не может обойтись ни работа, ни отдых.
Теперь надо посмотреть, какие приборы будут и должны работать одновременно, а какие можно менять местами. Понятно, что холодильник отключать нельзя, значит, это будет постоянная нагрузка на дизельный генератор. Можно заранее продумать, какие приборы надо отключить, чтобы включить, например, электроплиту или чайник.
В список надо обязательно внести и учесть мощность оборудования, покупка которого только планируется, к примеру — новый пылесос или стиральная машина взамен старой.

4 шаг – Определяем запас мощности

Теперь имеем сумму, которая показывает необходимую мощность генератора для дома. К ней надо прибавить 20-30%. Для чего? Стабильная работа электростанции должна проходить не на 100% мощности, а на 80% мощности от номинальной. То есть, если номинальная мощность электростанции 3 кВт, то в постоянном режиме она должна выдавать не более 2,4 кВт. Это наиболее правильный ритм работы генераторной установки. Причем, запас мощности для стационарной установки на объектах, где нет централизованной сети энергопитания, может составлять 30%. А для такого объекта, как дача, вполне достаточно и 10%. Для загородного участка важно освещение и работа пары бытовых приборов, для таких целей не нужен мощный бензиновый генератор. Тем более, если он является резервным источником питания. Но для загородного дома или для офисного помещения запас мощности необходим. Ведь в арсенале техники могут появиться новые приборы, которые пока не запланированы.

РАЗБИРАЕМСЯ В НОМИНАЛЬНОЙ И МАКСИМАЛЬНОЙ МОЩНОСТИ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ

В технических характеристиках к каждой электростанции указывают два параметра мощности. Номинальный и максимальный. Номинальная мощность отражает стабильную работу генератора продолжительное время, которое зависит от объема топливного бака и расхода топлива в час. На максимальной мощности дизельный генератор может работать очень недолго, так как повышенные нагрузки приводят к увеличению температуры на обмотках и двигатель быстро отключится до тех пор, пока температура не придет в норму. Время работы в экстремальном режиме различно и зависит от уровня электростанции. Как правило, длительность работы на максимальных оборотах не превышает 30 минут.
Нередко производители указывают коэффициент мощности, который можно умножить на максимальную мощность и в результате получить номинальную, то есть рабочую. Случается, что некоторые производители, желающие приукрасить свою технику, предоставляют только одну цифру максимальной мощности. В таких случаях следует более подробно разобраться в характеристиках данного генератора или отказаться от него.

ОРИЕНТИРОВОЧНЫЙ ПОДБОР ГЕНЕРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ

Теперь попробуем разобраться, на что способны генераторные установки различной мощности.
Электростанция с мощностью 3 кВт приобретается, как правило, для дачного домика или дома с небольшим количеством приборов. Она легко справится с:

Генератор 3 кВт = лампа + чайник+ холодильник + телевизор + насос.

Для загородного дома побольше, рекомендуется обратить внимание на бензиновый генератор с мощностью 5 кВт. Он сможет обслуживать помимо осветительных приборов, холодильника и насосной станции:

Генератор 5 кВт = освещение + холодильник + насос + электроплита + телевизор + компьютер.

С обслуживанием большого загородного дома справится бензиновый генератор с мощностью до 7 кВт. Причем в список оборудования может входить обогрев, подключение кондиционера до 5 кВт, обслуживание пылесоса до 1 кВт.

Генератор 7 кВт = чайник + холодильник + телевизор + насос + электроплита + кондиционер + пылесос.

Для коммерческих целей (офисные центры, магазины, предприятия) используют дизельные генераторы, мощностью 10 кВт. Это установки профессиональной серии, которые расчитаны на длительные нагрузки, и используются как стационарные источники питания.

Генератор 10 кВт = электрочайник +кофеварка + микроволновая печь + холодильник + телевизор + насос + электроплита + кондиционер + пылесос + камеры наблюдения +пылесос.

КАЛЬКУЛЯТОР МОЩНОСТИ ГЕНЕРАТОРА

Нужная мощность генератора: 0 кВт*

Генераторы переменного тока

Если для получения электрического напряжения используется прополочная рамка, вращающаяся в магнитном поле, то напряжение индукции не постоянно, а зависит от мгновенного положения рамки в магнитном поле.

В соответствии с формулой №1 напряжение индукции пропорционально скорости изменения магнитного потока. Согласно выражению

[ Φ = BS ]

, магнитный поток пропорционален площади сечении магнитного поля, пересекающего рамку, т.е.

[ Φ = B S cos(φ) ]

Аналогичное выражение справедливо для вращающейся катушки.

Если

то

[ u= – N frac{dФ}{dt} ]

[ u= – frac{d(NBS cos(φ))}{dt} ]

[ u= – frac{d(NBS cos(ωt))}{dt} ]

откуда

Переменное напряжение

[ u = NBS ω sin(ωt) ]

Переменное напряжение Напряжение индукции меняется во времени по синусоидальному закону.
В течение периода оно дважды меняет знак. Поэтому его называют переменным напряжением.

Амплитуда, или максимальное значение напряжения индукции, определяется формулой

[ U_{m}= NBSω ]

Тогда для мгновенного напряжения имеем

[ u = U_{m} sin(ωt) ]

[ u = U_{m} sin(2πft) ]

[ u = U_{m} sin(2πfrac{t}{T}) ]

Величина ω=2πf называется угловой частотой.

Частота переменного тока промышленной сети f = 50 Гц, и соответственно ω = 100π 1/с.

Переменный ток

Если к клеммам вращающейся катушки присоединить внешнюю электрическую цепь, то в ней возникает электрический ток,
сила которого изменяется по синусоидальному закону во времени и меняет свой знак (направление) дважды за период. Такой ток называется переменным током.

Если

то

то по аналогии получаем

[ i = I_{m} sin(ωt) ]

[ i = I_{m} sin(2πft) ]

[ i = I_{m} sin(2π frac{t}{T}) ]

График зависимости напряжения u от времени t (или от φ = ωt) представляет собой синусоиду.

В любом генераторе переменного тока имеются магнит, создающий требуемое магнитное поле (чаще всего электромагнит; в генераторах малой мощности используются постоянные магниты),
вращающиеся обмотки и контактные кольца. Для получения достаточно высокого напряжения применяют обмотки с большим числом витков и железные сердечники.

Вращающаяся часть генератора называется ротором, неподвижная часть — статором.

В генераторах большой мощности обмотки, в которых индуцируется напряжение, располагаются на статоре, а магниты — на роторе (машина с внутренними полюсами). При этом контактные кольца служат лишь для подвода небольшой мощности к электромагнитам.

Генераторы переменного тока	стр. 674

Метод эквивалентного генератора применяется для определения тока одной из ветвей электрической цепи в том случае, когда расчет всей схемы не требуется. В основу метода положена теорема об активном двухполюснике (теорема Гельмгольца-Тевенена). Основная идея метода заключается в том, что часть цепи, параметры которой определять нет необходимости, заменяется эквивалентным генератором с известной эдс и сопротивлением. Метод часто применяется для расчета режима электрической цепи.

Алгоритм состоит из следующих шагов:

1. Выбранная для расчета ветвь удаляется из схемы, а места образовавшегося разрыва обозначаются буквами. Оставшаяся часть схемы будет представлять собой эквивалентный генератор.
2. Рассчитывается эквивалентная эдс генератора.
3. Определяется эквивалентное сопротивление генератора.
4. По найденным в пунктах 2 и 3 параметрам генератора определяется ток через исключенную в пункте 1 ветвь.

Метод эквивалентного генератора: примеры решения

Рассмотрим пример расчета электрической схемы методом эквивалентного генератора (рисунок 1).

Допустим, что необходимо рассчитать ток I_ab через резистор R4. Тогда преобразования схема будет иметь вид, представленный на рисунке 2.

После преобразования ток через резистор R_ab (R4) определяется по формуле

Для того, чтобы рассчитать значения Еэкв и Rэкв необходимо рассмотреть режим холостого хода генератора. Для этого необходимо обеспечить его работу без нагрузки, то есть условно отсоединить от цепи исследуемую ветвь ab (рисунок 3).

Для представленной схемы напряжение Еэкв будет равно

Далее требуется определить эквивалентное сопротивление. Для этого воспользуемся методом пассивного двухполюсника. В этом случае необходимо исключить из схемы источник эдс и найти общее сопротивление цепи (рисунок 4).

Эквивалентное сопротивление полученной схемы определяется по формуле

Теперь можно определить ток, проходящий через резистор ab согласно выражению (1).

Поставленная задача решена.

Вопрос для светловолосых: что является
источником тока на авто? Обычный ответ
– аккумулятор…

На первобытных авто использовался
генератор постоянного тока. Эта машина
имеет массу недостатков, поэтому, когда
появилась возможность замены на генератор
переменного тока, это и произошло. Какие
это недостатки?

Низкая долговечность коллекторного
узла, необходимость реле обратного
тока, ограничителя тока, меньшая мощность
(вдвое) при одинаковой массе.

Конструкция:

ротор на подшипниках с приводным шкивом.
На нём смонтирована катушка возбуждения
и два токоподводящих кольца. Катушка
возбуждения зажата с двух сторон
клювообразными полюсными наконечниками,
образующими наряду с прочими деталями
магнитную систему. Статор как часть
магнитной системы установлен в корпусе
и имеет три силовых обмотки, обычно
включенные звездой. В корпусе также
размещён выпрямительный блок, содержащий
как минимум 6 силовых диодов, угольные
щётки вместе или без интегрального
регулятора напряжения (РН).

Принцип действия

При вращении ротора под каждым зубом
статора проходит то северный, то южный
полюс, т.е. магнитный поток (создаваемый
обмоткой возбуждения или постоянными
магнитами в некоторых конструкциях),
пересекает обмотки статора при этом
меняя величину и направление. При этом
в обмотках будет индуцироваться ЭДС,
причём ЭДС будет переменной.

Основная гармоника частоты переменного
тока пропорциональна числу пар полюсов
(=6) и частоте вращения ротора

,

т.е. по сравнению с обычной осветительной
сетью с постоянной частотой 50Гц в нашем
случае частота значительно выше и она
переменная. Например, при всего лишь
= 1000мин^-1=
100Гц.

Работа выпрямителя.

Три обмотки статора обычно включены
звездой. На каждой обмотке генерируется
ЭДС, похожая на синус. Фазы сдвинуты на
120град. Наша задача получить выпрямленное
напряжение. Для этой цели используется
выпрямительный блок из 6 мощных диодов.
Три катода одной тройки диодов, соединённые
вместе образуют положительный вывод
выпрямителя, а другая тройка диодов
соединением анодов между собой образует
отрицательный вывод выпрямителя.
Разность потенциалов между выводами
выпрямителя есть алгебраическая сумма
наибольших напряжений среди положительных
полуволн и отдельно отрицательных. В
любой момент времени открыто, как
правило, по одному диоду из обеих триад
с наибольшими напряжениями по абсолютной
величине. Два остальных диода закрыты
из-за их обратного смещения. В случае
совпадения величин напряжений ток течёт
из двух обмоток через два диода.

Построение графика фазных напряжений
и получение графика напряжения на выходе
выпрямителя. Рассмотрение проводить
относительно нейтрали (общей точки
силовых обмоток статора). Без учёта
потерь напряжения на диодах максимум
и минимум выпрямленного напряжения
составляют относительно амплитудного
фазного:

При среднем напряжении в 14В имеем размах
пульсаций равный 1.95В.

Стабилизация и регулирование
выходного напряжения.

ЭДС (напряжение на выходе г. без нагрузки)
пропорционально частоте вращения
и величине магнитного потока:

Для постоянства ЭДС очевидно требуется
регулирование магнитного потока, который
зависит от тока в обмотке возбуждения
и двух константи

Таким образом, стабилизация ЭДС
осуществляется через регулирования
тока возбуждения.

Возможность стабилизации напряжения
генератора через регулирование тока
возбуждения также можно проследить по
следующим формулам.

Напряжение на выходе генератора будет
меньше ЭДС на величину произведения
тока
и полного сопротивления:

Вектор полного сопротивления
состоит из активных сопротивлений
обмотки статораи нагрузки,
а также индуктивного сопротивления
статораи определится как

Формула для напряжения генератора будет
выглядеть как

Выводы.

Для постоянства напряжения при некоторой
частоте вращения увеличение тока
потребует увеличение магнитного потока
(очевидно).

При некотором увеличении частоты
вращения при той же величине магнитного
потока можно получить больший ток (не
столь очевидно).

Существует некоторая небольшая частота
вращения, при которой при максимальной
величине магнитного потока достигается
заданное напряжение.

Разновидности регуляторов напряжения

Итак, чтобы стабилизировать выходное
напряжение
следует изменять магнитный поток,
который в свою очередь изменяется за
счёт изменения тока возбуждения. Эту
задачу выполняет т.н. регулятор напряжения
(РН).

Первоначально РН выполнялись на базе
быстродействующих реле и назывались
вибрационными. Ток в обмотку возбуждения
при недостатке напряжения генератора
напрямую или через доп. сопротивление
подавался через замкнутые контакты
специального реле. Когда напряжение
достигало заданного, контакты должны
были разомкнуться, что приводило к
понижению напряжения генератора. Процесс
переключения происходит с частотой
50-100Гц, либо реле постоянно включено –
при недостатке напряжения, и ток в
обмотку поступает максимальный.

Питание РН поступает от выключателя
зажигания. По этой же цепи берётся само
напряжение, подлежащее регулированию
(хотя эта величина с ошибкой из-за падения
напряжения на проводах! Надо бы брать
с + выпрямителя/аккумулятора). В качестве
недостатка схемного решения можно
указать и наличие максимального тока
возбуждения при остановленном ДВС и во
время пуска.

Позднее появились контактно-транзисторные
РН. От вибрационного РН требовалась всё
большая величина коммутируемого тока,
поскольку мощности генераторов неуклонно
возрастали. При величинах тока в цепи
возбуждения более 2А контакты РН быстро
изнашивались и им на подмогу стали
устанавливать транзисторы (то же было
и в системах зажигания).

Все рассмотренные выше конструкции РН
– это отдельные устройства, монтируемые
отдельно от генератора. Ныне уже более
20 лет как такие решения ушли в историю
и стали применяться исключительно т.н.
интегральные РН, встраиваемые в корпусе
щёточного узла. Питание такой РН получает
от отдельного выпрямителя, что позволяет
не подавать ток возбуждения при
остановленном ДВС и при пуске. Хотя если
бы иметь микроконтроллер в РН, эту задачу
можно было бы решить и без дополнительного
выпрямителя. Ставятся ли м/к в РН мне
неизвестно.

Разновидности схем включения РН

Один из выводов обмотки возбуждения
может быть постоянно подключён либо к
минусу, либо к плюсу. Ныне практически
все схемы РН рассчитаны на то, что один
из выводов обмотки возбуждения постоянно
подключён к плюсу. Схемы, в которых от
замка зажигания к генератору идёт провод
для питания РН и самой цепи возбуждения
также не применяются. Наиболее
распространённое решение для этой цели
– применение дополнительного выпрямителя
с использованием трёх слаботочных
диодов для положительного вывода. Три
нижних диода используются от силового
выпрямителя и таким образом, имеем
дополнительный выпрямитель, с которого
напряжение поступает только с генератора
(плюс аккумулятора не связан с этой
цепью, а минус – общий).

Максимальный ток генератора

Выходной ток генератора пропорционален
ЭДС
и обратно пропорционален полному
сопротивлению:

,

где
и–
константы,–
эффективное значение магнитного потока.

При высоких частотах вращения и больших
нагрузках (малое
)
индуктивная составляющая полного
сопротивления становится доминирующей
и максимальный ток генератора
асимптотически стремится к :

Это означает, что генератор пер. тока
имеет свойство самоограничения по току
при больших частотах (что отсутствует
у г. постоянного тока, который может
себя угробить).

Замечание.Не должно смущать якобы
зануление выходного напряжения при
очень высоких частотах вращения и
большом токе. Здесь величина ЭДС
становится весьма высокой и какие-то
14В могут “потеряться” если из одной
большой величины вычитать другую.

(= 0)

Характеристики

Токоскоростная х. показывает максимальную
величину тока, которую может отдать
генератор при разных частотах вращения.
Условие при снятии х. – постоянство
выходного напряжения (точнее – ограничение
на уровне номинального). Х. имеет три
точки, которые нормируются для данного
типа генератора и являются контрольными
при диагностировании.

Первая точка имеет частоту вращения,
по превышению которой ток становится
положительным. Для разных генераторов
эта величина обычно попадает в диапазон
900-1500мин^-1. Для ориентировочного
пересчёта частоты вращения генераторов
и двигателей, на которых они устанавливаются,
исходим из передаточного соотношения
1:2, т.е. ДВС имеет вдвое меньшую частоту
вращения, если исходить из частоты
вращения генератора.

Вторая точка показывает частоту вращения
(эта частота несколько выше частоты ХХ
ДВС), при которой отдача генератора
достигает некой расчётной средней
нагрузки (по току). Нужна бы ещё одна
аналогичная точка при частоте,
соответствующей частоте ХХ ДВС.

Третья точка показывает при частоте
вращения (обычно – 5000мин^-1) величину
тока, которая принимается за максимальное
значение. Мощность, как паспортный
показатель есть произведение этого
тока на номинал напряжения. Если
раскручивать генератор быстрее, то ток,
который можно с него получить возрастёт
незначительно. Эффект ограничения тока
объясняется значительным нарастанием
индуктивного сопротивления при высоких
частотах (см. формулу тока).

Для примера: генератор 37.3701 имеет
следующие параметры. 770Вт/55А, n₀<=1100мин^-1,
при 2000мин^-1выдаёт ток 35А (U=13В)

Другие параметры

= 2.5-4 Ом, число витков 400-600, диаметр
проволоки Ф0.5-0.9мм

Статор, обмотка: число витков 8-20, диаметр
проволоки Ф1-1.5мм

Обслуживание и диагностика

Вопрос.Что будет при замене г.
на более мощный?

Вопрос.Что будет с напряжением,
если обмотку возбуждения подключить
напрямую к выходу генератора?

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]

• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #

У этого термина существуют и другие значения, см. Генератор.

Генера́тор переме́нного то́ка («альтерна́тор») — электрическая машина, преобразующая механическую энергию в электрическую энергию переменного тока. Большинство генераторов переменного тока используют вращающееся магнитное поле.

Принцип работы генератора заключается в преобразовании механической энергии в электрическую путем вращения проволочной катушки в магнитном поле. Электрический ток вырабатывается и тогда, когда силовые линии движущегося магнита пересекают витки проволочной катушки. Электроны перемещаются по направлению к положительному полюсу магнита, а электрический ток течет от положительного полюса к отрицательному. До тех пор, пока силовые линии магнитного поля пересекают катушку (проводник), в проводнике индуцируется электрический ток. Аналогичный принцип работает и при перемещении проволочной рамки относительно магнита, то есть когда рамка пересекает силовые линии магнитного поля. Индуцированный электрический ток течет таким образом, что его поле отталкивает магнит, когда рамка приближается к нему, и притягивает, когда рамка удаляется. Каждый раз, когда рамка изменяет ориентацию относительно полюсов магнита, электрический ток также изменяет свое направление на противоположное. Все то время, пока источник механической энергии вращает проводник (или магнитное поле), генератор будет вырабатывать переменный электрический ток.

История[править | править код]

Электрические машины, генерирующие переменный ток, были известны в простом виде со времён открытия магнитной индукции электрического тока. Ранние машины были разработаны Майклом Фарадеем и Ипполитом Пикси.

Фарадей разработал «вращающийся прямоугольник», действие которого было многополярным — каждый активный проводник пропускался последовательно через область, где магнитное поле было в противоположных направлениях. Первая публичная демонстрация наиболее сильной «альтернаторной системы» имела место в 1886 году. Большой двухфазный генератор переменного тока был построен британским электриком Джеймсом Гордоном^ru_en (англ. James Edward Henry Gordon) в 1882 году. Лорд Кельвин и Себастьян Ферранти^ru_en (англ. Sebastian Pietro Innocenzo Adhemar Ziani de Ferranti) также разработали ранний альтернатор, производивший переменный ток частотой между 100 и 300 герц. В 1891 году Никола Тесла запатентовал практический «высокочастотный» альтернатор (который действовал на частоте около 15000 герц). После 1891 года были изобретены многофазные альтернаторы. Генератор трехфазного тока с трехпроводной нагрузкой разработал и продемонстрировал русский инженер Доливо-Добровольский, работавший главным инженером берлинской компании AEG. В 1893 году продемонстрированное им изобретение было использовано А. Н. Щенсновичем при строительстве первой промышленной трехфазной электростанции в составе Новороссийского зернового элеватора.^[1]

Теория генератора переменного тока[править | править код]

Принцип действия генератора основан на законе электромагнитной индукции — индуцирование электродвижущей силы в прямоугольном контуре (проволочной рамке), находящейся в однородном вращающемся магнитном поле. Или наоборот, прямоугольный контур вращается в однородном неподвижном магнитном поле.

Допустим, что однородное магнитное поле, создаваемое постоянным магнитом, вращается вокруг своей оси в проводящем контуре (проволочной рамке) с равномерной угловой скоростью . Две равные порознь вертикальные стороны контура (см. рисунок) являются активными, так как их пересекают магнитные линии магнитного поля. Две равные порознь горизонтальные стороны контура — не активные, так как магнитные линии магнитного поля их не пересекают, магнитные линии скользят вдоль горизонтальных сторон, электродвижущая сила в них не образуется.

В каждой из активных сторон контура индуктируется электродвижущая сила, величина которой определяется по формуле:

и ,

где

и  — мгновенные значения электродвижущих сил, индуктированных в активных сторонах контура, в вольтах;

 — магнитная индукция магнитного поля в вольт-секундах на квадратный метр (Тл, Тесла);

 — длина каждой из активных сторон контура в метрах;

 — линейная скорость, с которой вращаются активные стороны контура, в метрах в секунду;

 — время в секундах;

и  — углы, под которыми магнитные линии пересекают активные стороны контура.

Так как электродвижущие силы, индуктированные в активных сторонах контура, действуют согласно друг с другом, то результирующая электродвижущая сила, индуктируемая в контуре,

будет равна , то есть индуктированная электродвижущая сила в контуре изменяется по синусоидальному закону.

Если в контуре вращается однородное магнитное поле с равномерной угловой скоростью, то в нём индуктируется синусоидальная электродвижущая сила.

Можно преобразовать формулу , выразив её через максимальный магнитный поток , пронизывающий контур.

Относительная линейная скорость активных сторон равна произведению радиуса вращения на угловую скорость , то есть .

Тогда получим ,

где

 — амплитуда синусоидальной электродвижущей силы;

 — фаза синусоидальной электродвижущей силы;

 — угловая скорость синусоидальной электродвижущей силы, в данном случае равная угловой скорости вращения магнита в контуре.

С учётом того, что контур состоит из многих витков провода, электродвижущая сила пропорциональна количеству витков и формула будет выглядеть так: .

Если ввести в формулу максимальный магнитный поток, тогда .

Устройство генератора переменного тока[править | править код]

По конструкции можно выделить:

• генераторы с неподвижными магнитными полюсами и вращающимся якорем;
• генераторы с вращающимися магнитными полюсами и неподвижным статором.

Последние получили большее распространение, так как благодаря неподвижности статорной обмотки отпадает необходимость снимать с ротора большой ток высокого напряжения с использованием скользящих контактов (щёток) и контактных колец.

Подвижная часть генератора называется ротор, а неподвижная — статор.

Статор собирается из отдельных железных листов, изолированных друг от друга. На внутренней поверхности статора имеются пазы, куда вкладываются провода статорной обмотки генератора.

Ротор изготавливается, обычно, из сплошного железа, полюсные наконечники магнитных полюсов ротора собираются из листового железа. При вращении между статором и полюсными наконечниками ротора присутствует минимальный зазор, для создания максимально возможной магнитной индукции. Геометрическая форма полюсных наконечников подбирается такой, чтобы вырабатываемый генератором ток был наиболее близок к синусоидальному.

На сердечники полюсов посажены катушки возбуждения, питаемые постоянным током. Постоянный ток подводится с помощью щёток к контактным кольцам, расположенным на валу генератора.

По способу возбуждения генераторы переменного тока делятся на:

• генераторы, обмотки возбуждения которых питаются постоянным током от постороннего источника электрической энергии, например от аккумуляторной батареи (генераторы с независимым возбуждением).
• генераторы, обмотки возбуждения которых питаются от постороннего генератора постоянного тока малой мощности (возбудителя), сидящего на одном валу с обслуживаемым им генератором.
• генераторы, обмотки возбуждения которых питаются выпрямленным током самих же генераторов (генераторы с самовозбуждением). См также бесщёточный синхронный генератор.
• генераторы с возбуждением от постоянных магнитов.

Конструктивно можно выделить:

• генераторы с явно выраженными полюсами;
• генераторы с неявно выраженными полюсами.

По количеству фаз можно выделить:

• Однофазные генераторы. См. также конденсаторный двигатель, однофазный двигатель.
• Двухфазные генераторы. См. также двухфазная электрическая сеть, двухфазный двигатель.
• Трёхфазные генераторы. См. также трёхфазная система электроснабжения, трёхфазный двигатель.

По соединению фазных обмоток трёхфазного генератора:

• шестипроводная система Тесла (практического значения не имеет);
• соединение «звездой»;
• соединение «треугольником»;
• соединение шести обмоток в виде одной “звезды” и одного “треугольника” на одном статоре.

Наиболее распространено соединение «звездой» с нейтральным проводом (четырёхпроводная схема), позволяющее легко компенсировать фазовые перекосы и исключающее появление постоянной составляющей и паразитных кольцевых токов в обмотках генератора, приводящих к потерям энергии и перегреву.

Так как на практике в электросетях с множеством мелких потребителей нагрузка на разные фазы не является симметричной (подключается разная электрическая мощность, или например, активная нагрузка на одной фазе, а на другой индуктивная или ёмкостная, то при соединении «треугольником» или «звездой» без нейтрального провода можно получить такое неприятное явление как «перекос фаз», например, лампы накаливания, подключенные к одной из фаз, слабо светятся, а на другие фазы подаётся чрезмерно большое электрическое напряжение и включенные приборы «сгорают».

Частота переменного тока, вырабатываемого генератором[править | править код]

Данные генераторы являются синхронными, то есть угловая скорость (число оборотов) вращающегося магнитного поля линейно зависит от угловой скорости (числа оборотов) ротора генератора и асинхронными, в которых имеется скольжение, то есть, отставание магнитного поля статора от угловой скорости ротора. Ввиду некоторой громоздкости регулирования асинхронные генераторы получили небольшое распространение.

Если ротор генератора двухполюсный, то за один его полный оборот индуктированная электродвижущая сила совершит полный цикл своих изменений.

Следовательно, частота электродвижущей силы синхронного генератора будет: ,

где

 — частота в герцах;

 — число оборотов ротора в минуту.

Если генератор имеет число пар полюсов , то соответственно этому частота электродвижущей силы такого генератора будет

в раз больше частоты электродвижущей силы двухполюсного генератора: .

Частота переменного тока в электрических сетях должна строго соблюдаться, в России и других странах она составляет 50 периодов в секунду (герц). В ряде стран, например в США, Канаде, Японии, в электрическую сеть подаётся переменный ток с частотой 60 герц. Переменный ток с частотой 400 герц применяется в бортовой сети самолётов.

В таблице показана зависимость частоты генерированного переменного тока от количества магнитных полюсов и числа оборотов генератора

Данный фактор следует учитывать при конструировании генераторов.

Число полюсов	Число оборотов ротора для частоты 50 герц, в 1 минуту	Число оборотов ротора для частоты 60 герц, в 1 минуту	Число оборотов ротора для частоты 400 герц, в 1 минуту
2	3 000	3 600	24 000
4	1 500	1 800	12 000
6	1 000	1 200	8 000
8	750	900	6 000
10	600	720	4 800
12	500	600	4 000
14	428,6	514,3	3 429
16	375	450	3 000
18	333,3	400	2 667
20	300	360	2 400
40	150	180	1 200

Например, паровая турбина оптимально работает при 3000 оборотов в минуту, число полюсов генератора равняется двум.

Например, для дизельного двигателя, применяемого на дизельных электростанциях, оптимальный режим работы 750 оборотов в минуту, тогда генератор должен иметь 8 полюсов.

Например, массивные и тихоходные гидравлические турбины на крупных гидроэлектростанциях вращаются со скоростью 150 оборотов в минуту, тогда генератор должен иметь 40 полюсов.

Данные примеры приведены для частоты переменного тока 50 герц.

Параметры синхронного генератора[править | править код]

Основными величинами, характеризующими синхронный генератор, являются:

Характеристика холостого хода генератора[править | править код]

Электродвижущая сила генератора переменного тока пропорциональна величине магнитного потока и числу оборотов ротора генератора в минуту:

, где  — коэффициент пропорциональности (определяется конструкцией генератора).

Хотя величина ЭДС синхронного генератора зависит от числа оборотов ротора, регулировать её путём изменения скорости вращения ротора невозможно, так как с числом оборотов ротора генератора связана частота переменного тока, генерируемого генератором. При работе генератора в электрических сетях частота должна строго соблюдаться (в России 50 герц).

Следовательно, единственный способ изменить величину ЭДС синхронного генератора — изменить магнитный поток .

Магнитный поток пропорционален силе тока в контуре (А, ампер) и индуктивности (Гн, генри):

.

Отсюда формула ЭДС синхронного генератора будет выглядеть так: .

Регулирование ЭДС путём изменения магнитного потока осуществляется последовательным включением в цепь обмоток возбуждения реостатов или электронных регуляторов напряжения. На роторе генератора находятся контактные кольца, ток возбуждения подводится через щёточный узел (скользящие контакты). В том случае, если на общем валу с генератором находится малый генератор-возбудитель — тогда регулирование осуществляется опосредованно, путём регулирования тока возбуждения генератора-возбудителя.

В том случае, когда используются генераторы переменного тока с возбуждением от постоянных магнитов (например, в малой энергетике) — осуществляется регулирование выходного напряжения с помощью внешних устройств: регуляторы и стабилизаторы напряжения. См. также стабилизаторы переменного напряжения, импульсный стабилизатор напряжения.

Если безразлично, ток какой частоты получается на зажимах генератора (например, переменный ток затем выпрямляется, как на тепловозах с передачей переменно-постоянного тока, таких как ТЭ109, ТЭ114, ТЭ129, ТЭМ7 и др.) — ЭДС регулируется и изменением тока возбуждения и изменением числа оборотов тягового генератора.

Параллельная работа синхронных генераторов[править | править код]

На электростанциях синхронные генераторы соединяются друг с другом параллельно для совместной работы на общую электрическую сеть. Когда нагрузка на электрическую сеть мала, работает только часть генераторов, при повышенном энергопотреблении («час пик») включаются резервные генераторы. Этот способ выгоден, так как каждый генератор работает на полную мощность, следовательно, с наиболее высоким коэффициентом полезного действия.

Синхронизация генератора с электрической сетью[править | править код]

В момент подключения резервного генератора к электрическим шинам его электродвижущая сила должна быть численно равна напряжению на этих шинах, иметь одинаковую с ним частоту, и фазовый сдвиг равный нулю. Процесс выведения резервного генератора на режим, при котором обеспечивается указанное условие, называется синхронизацией генератора.

Если это условие не будет выполнено (подключаемый генератор не выведен на синхронный режим), то из сети в генератор может пойти большой ток, генератор заработает в режиме электродвигателя, что может привести к аварии.

Для выполнения синхронизации подключаемого генератора с электрической сетью применяются специальные устройства, в простейшем виде — синхроноско́п.

Синхроноскоп представляет собой лампу накаливания и «нулевой» вольтметр, включенные параллельно контактам рубильника, отключающего генератор от шин сети (соответственно сколько фаз, столько ламп накаливания и вольтметров).

При разомкнутом состоянии рубильника параллельная сборка «лампа накаливания — „нулевой“ вольтметр» оказывается включенной последовательно цепи «фаза генератора — фаза электросети».

После запуска генератора (при разомкнутом рубильнике) его выводят на номинальные обороты, и регулируя ток возбуждения, добиваются того, чтобы электрическое напряжение на клеммах генератора и на шинах сети было приблизительно одинаковым.

Когда генератор приближается к режиму синхронизации, лампы накаливания начинают мигать, и в момент почти полной синхронизации они гаснут. Однако лампы гаснут при напряжении, не равном нулю, для индикации полного нуля служат вольтметры («нулевые» вольтметры). Как только и «нулевые» вольтметры покажут 0 вольт — генератор и электрическая сеть синхронизированы, можно замыкать рубильник. Если две лампы накаливания (на двух фазах) погасли, а третья — нет, это означает, что одна из фаз генератора подключена неправильно к шине электрической сети.

Генераторы переменного тока на транспорте[править | править код]

Трёхфазные генераторы переменного тока с встроенным полупроводниковым мостовым трёхфазным выпрямителем используются на современных автомобилях для зарядки автомобильного аккумулятора, а также для питания электропотребителей, таких как система зажигания, автомобильная светотехника, бортовой компьютер, система диагностики и других. Постоянство напряжения в бортовой сети поддерживается специализированным регулятором напряжения.

Применение автомобильных генераторов переменного тока позволяет уменьшить габаритные размеры, вес генератора, повысить его надёжность, сохранив или даже увеличив его мощность по сравнению с генераторами постоянного тока^[2].

Например, генератор постоянного тока Г-12 (автомобиль ГАЗ-69) весит 11 кг, номинальный ток 20 ампер, а генератор переменного тока Г-250П2 (автомобиль УАЗ-469) при массе 5,2 кг выдаёт номинальный ток 28 ампер.

Генераторы переменного тока применяются в гибридных автомобилях, позволяющих совмещать тягу двигателя внутреннего сгорания и электродвигателя. Это позволяет избежать работы ДВС в режиме малых нагрузок, а также реализовывать рекуперацию кинетической энергии, что повышает топливную эффективность силовой установки.

На тепловозах, таких как ТЭ109, ТЭ114, ТЭ129, ТЭМ7, ТЭМ9, ТЭРА1, ТЭП150, 2ТЭ25К применяется электрическая передача переменно-постоянного тока, устанавливаются синхронные трёхфазные тяговые генераторы. Тяговые электродвигатели постоянного тока, вырабатываемая генератором электроэнергия выпрямляется полупроводниковой выпрямительной установкой. Замена генератора постоянного тока на генератор переменного тока позволила снизить массу электрооборудования, резерв может быть использован для установки более мощного дизельного двигателя. Однако тяговый генератор переменного тока не может использоваться как стартер для двигателя внутреннего сгорания, запуск производится генератором постоянного тока для цепей управления.

На опытном тепловозе 2ТЭ137, новых российских локомотивах 2ТЭ25А, ТЭМ21 применяется электрическая передача переменно-переменного тока, с асинхронными тяговыми электродвигателями.

Асинхронные двигатели как генераторы переменного тока[править | править код]

Как обратимая электрическая машина асинхронный электродвигатель переменного тока может быть переведён в генераторный режим.

В генераторном режиме скольжение (разница между угловой скоростью ротора и угловой скоростью вращающегося магнитного поля) меняет знак,
то есть асинхронный двигатель работает как асинхронный генератор.

Данное включение используется в основном на транспорте для реостатного или рекуперативного торможения (там, где в качестве тяговых электродвигателей применяются асинхронные).

Охлаждение генераторов переменного тока[править | править код]

Во время работы в генераторе возникают потери энергии, превращающиеся в теплоту и нагревающие его элементы. Хотя КПД современных генераторов очень высок, абсолютные потери достаточно велики, что приводит к значительному повышению температуры активной стали, меди и изоляции. Повышение температуры конструктивных элементов, в свою очередь, ведёт к их постепенному разрушению и уменьшению срока службы генератора^[3][4]. Для предотвращения этого применяют различные системы охлаждения.

Выделяют следующие типы систем охлаждения: поверхностное (косвенное) и непосредственное охлаждение^[3]. Косвенное охлаждение в свою очередь может быть воздушным и водородным.

Водородные системы охлаждения чаще устанавливаются на крупные генераторы, так как они обеспечивают лучший отвод тепла^[5] (По сравнению с воздухом водород имеет большую теплопроводность и в 10 раз меньшую плотность^[6]). Водород пожаро- и взрывоопасен, поэтому применяется изоляция вентиляционной системы и поддержание повышенного давления.

См. также[править | править код]

• Генератор постоянного тока
• Динамо Йедлика
• Электронный генератор
• Сдвиг фаз
• Компенсация реактивной мощности
• Регулирование частоты в энергосистемах
• Конденсаторный двигатель
• Однофазный двигатель
• Двухфазная электрическая сеть
• Двухфазный двигатель
• Трёхфазная система электроснабжения
• Трёхфазный двигатель

Примечания[править | править код]

Литература[править | править код]

• Thompson, S. P. Dynamo-Electric Machinery : A Manual for Students of Electrotechnics : Part 1 : [англ.]. — New York : Collier and Sons, 1902.

Ссылки[править | править код]

• Alternators Архивная копия от 29 апреля 2004 на Wayback Machine. Integrated Publishing (TPub. com).
• Wooden Low-RPM Alternator. ForceField, Fort Collins, Colorado, USA.
• Understanding 3 phase alternators. WindStuffNow.
• Alternator, Arc and Spark. The first Wireless Transmitters. The G0UTY Homepage.
• White, Thomas H., Alternator-Transmitter Development (1891—1920). EarlyRadioHistory.us.