Электрический генератор (от латинского — «производитель») — устройство, вырабатывающее электрическую энергию, то есть преобразующее механическую энергию в электрический ток.
Благодаря изобретению генератора уже в середине XIX в. у промышленности и населения появилась реальная возможность производства и использования электричества, например, для работы станков или освещения домов и улиц. Кстати, электрические двигатели постоянного тока по своей конструкции практически полностью аналогичны генераторам. Более того, если вращать якорь электромотора постоянного тока (например, от электрической машинки или другой игрушки), он, как и генератор, начнет вырабатывать ток.
Принцип работы первого генератора
В 1831 г. английский ученый Майкл Фарадей открыл электромагнитную индукцию. Сущность этого открытия заключалась в том, что если вращать проводник между полюсами магнита, то в нем возникнет электромагнитное поле. Такое поле возбуждает движение электронов, и по проводнику начинает течь электрический ток. Благодаря этому открытию стало возможным создание электрического генератора и электрического двигателя.
Электрическая цепь
Требования к автомобильному генератору
Основной задачей генератора считается не только выработка тока, но и обеспечение его постоянных параметров, независимо от частоты вращения коленчатого вала, приводящего генератор в движение. Это необходимо для того, чтобы аккумулятор не разражался на низких оборотах мотора, а на высоких это нужно, чтобы избежать избыточной зарядки АКБ. Кроме того к стабильности напряжения и тока не менее чувствительны лампы, светодиоды, электрические приборы, особенно в современных технологически сложных автомобилях.
Генератор должен не просто отдавать стабильный ток, но и быть выносливым к высокой температуре, к вибрациям и влаге, иметь определённую грязезащиту, поскольку устанавливается он в подкапотном пространстве, где условия работы очень нестабильны. Конструкция и принцип работы генератора переменного тока практически во всех современных автомобилях идентичны.
Как работает электрогенератор?
Работа электрогенератора состоит во взаимодействии статора, ротора и контактных колец. Статор во включенном генераторе остается неподвижным. Расстояние между статором и ротором составляет всего лишь несколько миллиметров, поэтому между ними возникает очень сильное магнитное поле, и в обмотке ротора появляется электрический ток большой мощности. Обмотка статора при подаче напряжения от внешнего источника превращается в электромагнит.
Ротор соединен с валом механического устройства (двигатель внутреннего сгорания, ветряной или водяной двигатель и т. п.) и вращается во время работы генератора. Обмотка ротора в момент своего движения постоянно пересекает магнитное поле, создаваемое обмотками статора, и в ней образуется электрический ток.
Такая конструкция позволила избавиться от больших и тяжелых постоянных магнитов. Контактные кольца предназначены для съема электрической энергии с обмоток ротора. Они представляют собой барабан со множеством медных пластин, к которым подключены обмотки ротора. Снаружи с ними соприкасаются графитовые щетки, к которым с помощью проводов подключен потребитель электрической энергии.
Устройство генератора
Как создавали генераторы переменного тока — важнейшие моменты истории создания
Получение переменного электротока как такового никогда не было большой сложностью. В обмотках всех типов машинных генераторов (за исключением однополярного) происходит генерация такого типа электротока, преобразующегося в коллектора в постоянный.
В далеком 1832 г. изобретатель, имя которого история не сохранила, создал первый в мире 1-фазный многополюсный синхронный электрогенератор (ЭГ), после чего все дальнейшие изыскания в данной сфере пошли по пути совершенствования коммутирующих устройств.
Так случилось, что какое-то время это гениальное изобретение не находило использования на практике, В этой связи попытки создания других вариантов оборудования для выработки переменного электротока до конца 70-х гг. позапрошлого века были немногочисленными. На тот момент существовали только ЭГ постоянного тока, в конструкции которых вместо коллектора были установлены две пластины.
В 1863 г. англичанин Г. Уальд создал один из первых образцов для выработки переменного электротока с магнитами. Вместо пластин он установил на свое изобретение контактные кольца. Для питания обмотки генератора ученым был использован еще один дополнительный магнитоэклетрогенератор, который он укрепил на станине основного. А уже спустя четыре года Уайлд сконструировал очередной образец ЭГ уже без отдельного возбудителя. В основе его конструкции был Т-образный якорь с 1-мя обмотками:
- основной, поставляющей через контактные кольца электроток во внешнюю цепь;
- вспомогательной, питающей обмотку электромагнитов через коллектор с двумя пластинами.
У нового варианта генератора был существенный недостаток: серьезные потери стали электрических магнитов из-за чрезмерно сильных пульсаций электромагнитного потока. Нагрев сердечников происходил настолько быстро, что агрегат мог работать не более нескольких минут.
И только новаторское предложение российского ученого П. Н. Яблочкова – разработка сразу несколько принципиально новых агрегатов переменного электротока для освещения явилось по-настоящему мощным толчком к началу практического применения Изобретение получило название «свеча Яблочкова».
Примерно в 1878 г. Павел Яблочков, сотрудничающий в то время с известным французским машиностроительным предприятием Грамма, создал ЭГ для запитки 4-х, 6-ти, 16-ти и 20 свечей. Рассмотрим эту инновацию на примере 16-ти свечного агрегата.
В основе конструкции – статичный кольцевой якорь с секционной обмоткой на 4 цепи по 4 катушки в каждой. Вал ЭГ с восемью полюсами приводился в движение постоянным электротоком. На каждый вал приходилось по 2 катушки, в которых происходила индукция электротока со сдвигом на 1⁄4 фазы по отношению друг к другу. При этом Российский ученый соединил катушки таким образом, чтобы в каждой отдельной цепи обеспечивалось совпадение по фазе. Электропитание от каждой цепи подавалось на 4 свечи Яблочкова. Таким образом, это изобретение было не чем иным, как 2-фазным синхронным ЭГ с автономными фазами.
Впрочем, и другие ученые того периода не ставили своей целью создание многофазной системы. Их целью была машина с несколькими цепями для решения задачи «деления света», а также ее совершенствование и адаптация под практическое применение. Это им удалось достичь благодаря двухфазной якорной обмотке.
Позднее П. Яблочков предлагал и другие модели ЭГ, в т.ч. с возвратно-поступательным движением якоря, а также индукторные, которые, впрочем, применения в электротехнической отрасли того времени не нашли.
И опять на пути развития ЭГ стал тот же камень преткновения: сильный нагрев сердечников в процессе работы. Если в случае с изобретением Уайлда это были сердечники магнитов, то теперь – сердечники якоря. Трудноразрешимый вопрос снижения потерь в якорной стали стал ключевым, и без его решения невозможно было говорить о массовом использовании ЭГ. Предлагались разные варианты исполнения сердечников кольцевых, стержневых, барабанных якорей, но все они были слишком массивными и не давали должного эффекта. И лишь с началом производства штрихованных сердечников в 80-х гг. дело сдвинулось с мертвой точки.
Исходя из сказанного выше, можно выделить два основных направления в развитии ЭГ переменного тока:
- увеличение количества катушек якоря с целью повышения мощности, к ак и ранее (в середине XIX в.) в агрегатах постоянного тока);
- уменьшение удельного веса стали в якоре для исключения перегрева сердечников и минимизации потерь.
В какой-то период начали производиться ЭГ, в которых вообще не было стальных седечников. Так, в 1885 г. англичанин Паддингтон установил на одной из тепловых станций ЭГ с 2-фазными катушечными обмотками, предназначенный, как и изобретение Яблочкова – Грамма, для освещения (автономного питания лампочек). При мощности в 115 кВт он имел вес 18 тонн, приводилась в действие поршневым агрегатом (146 оборотов в минуту) и генерировала электроток с частотой 40 гЦ. Для возбуждения была использована паровая машина.
Итак, первые пригодные для промышленного применения ЭГ переменного тока были внедрены приблизительно к середине 80-х гг. того самого XIX века, который вошел в историю как век самого бурного научно-технического прогресса. Новый виток в развитии уже современных ЭГ начался в 90-е гг. XX столетия с началом производства трехфазных агрегатов со штрихованными сердечниками и обмотками барабанного типа.
Современный водяной двигатель
В современных водяных двигателях колесо с лопастями заменено более скоростной водяной турбиной (образовано от слова «турбо» — «вихрь»). Чаще всего она имеет спиральный кожух, по форме напоминающий раковину улитки. Вода поступает в широкий конец кожуха. Так как «коридор», по которому она течет, все время сужается, ее напор увеличивается.
Затем усиленный поток воды поступает на вогнутые лопатки турбины, которая расположена в , и вращает ее. Так энергия потока воды преобразуется в механическую работу.
Стандартный ассортимент
Придя в любой магазин, можно обнаружить три базовых разновидности электрогенераторов. Представленные модели различаются типом потребляемого топлива, выходной мощностью и ценой. Давайте разберёмся в этом вопросе более подробно. Итак, виды электрогенераторов.
Дизельные электрогенераторы для дома
Верхняя планка мощности таких агрегатов составляет 40 кВт, при запасе рабочего ресурса до 40 000 мч. Изделия используются в качестве альтернативного или основного источника питания.
Из преимуществ можно выделить экономичность в плане потребляемого топлива, и стабильную работу без скачков напряжения. К недостаткам относится высокий уровень шума и нестабильную работу в условиях минусовых температур.
Бензиновые
Это компактные, переносные аппараты, значительно уступающие по мощности предыдущей модели. Такие изделия дают на выходе до 10 кВт напряжения, работают практически бесшумно и обладают сравнительно невысокой стоимостью.
Кроме того, бензиновые модели не рассчитаны на постоянную работу. Из достоинств: неприхотливость в обслуживании и невысокая цена изделия.
Газовый генератор
Такие модификации работают на сжиженном или сетевом газе (LPG и NG соответственно). В плане экономии потребляемого топлива, это наиболее оптимальный вариант. Однако стоят газовые электрогенераторы дороже предыдущих моделей.
Кроме того, агрегаты не загрязняют окружающую среду вредными выбросами, способны работать в условиях низких температур
Обратите внимание, что газовое оборудование взрывоопасно, поэтому необходимо соблюдать меры предосторожности
Стоит отметить, что перечисленные генераторы подразделяются на модели синхронного и асинхронного действия. У асинхронных аппаратов отсутствует обмотка якоря, что снижает цену, но не даёт агрегату возможность справляться с пусковыми нагрузками.
Газовый генератор
То есть, вы не сможете использовать электрооборудование, которое даёт при запуске пиковую нагрузку на электросеть. К таким приборам относятся сварочные аппараты. Высокую мощность при запуске электрооборудования хорошо выдерживают асинхронные устройства.
Но здесь на роторе присутствуют щётки, которые имеют свойство периодически выгорать. Рекомендуем учесть эти особенности при выборе электрогенератора.
Электричество из воды
В наши дни электричество производят на гидроэлектростанциях, которые используют энергию движущейся воды.
Схема работы гидроэлектростанции
Гидроэлектростанция состоит из двух основных частей: энергоблока и плотины (или дамбы), накапливающей воду. В энергоблоке расположены генераторы, вырабатывающие электрический ток. Их роторы вращаются благодаря водяным турбинам. Так энергия потока воды преобразуется в электрическую.
Основные элементы
В качестве резонансной схемы генератора часто выступает кварцевый пьезо-электрический возбудитель. В то же время могут использоваться более простые схемы параллельного резонансного контура и RC-цепь (схема состоящая из конденсатора и резистора).
Генератор может иметь дополнительные схемы для изменения основного сигнала. Так процессор 8088 использует только две трети от рабочего цикла тактового сигнала. Это требует наличия в генераторе тактовых импульсов. И встроенной логической схемы для преобразования рабочего цикла.
По мере усложнения формы выходного синхросигнала в схеме генератора тактовых импульсов могут использоваться смеситель, делитель или умножитель частоты. Смеситель частоты генерирует сигнал, частота которого равна сумме или разности двух частот входных сигналов.
Гидроэлектростанции-гиганты
Одна из самых мощных в мире гидроэлектростанций была построена в Китае на реке Янцзы и получила название «Три ущелья». Ее бетонная плотина имеет длину 2309 м и высоту 185 м. Общая мощность электрогенераторов станции составляет почти 23 МВт (1 МВт = 1 млн Вт). За год они вырабатывают около 100 млрд кВт/ч электроэнергии.
Лишь немногим меньше электроэнергии вырабатывает гидроэлектростанция «Итайпу», расположенная на реке Парана (на границе Бразилии и Парагвая), которая имеет самую большую плотину. Высота этого гигантского сооружения достигает 196 м, а длина — 7235 м.
Поделиться ссылкой
Массовое производство
Первые бензогенераторы начали появляться примерно в то же время, что и дизельные генераторы. В начале XX века какому-то инженеру, чье имя осталось неизвестным, пришла в голову идея объединить дизельный двигатель с генератором – так появился первый в мире дизельный генератор. Английская компания Perkins увидела потенциал данного устройства и быстро наладила массовое производство. Следом за ними то же самое сделал известный ныне производитель Caterpillar – оба бренда занимаются производством дизельных генераторов по сей день.
В 30-х годах прошлого века генераторы на дизельном топливе использовались повсеместно на фермах и в домах, удаленных от городов, которых еще не коснулась электрификация.
