Устройство и принцип действия промышленного генератора

Физика А.В. Перышкин

1.Какой электрический ток называется переменным? С помощью какого простого опыта его можно получить?

Переменным называется ток периодический меняющийся со временем по модулю и направле­нию.

Переменный ток можно получить используя ин­дукционную катушку, гальванометр и магнит. Пе­риодически двигая магнит внутри катушки вверх и вниз можно заметить, стрелка гальванометра от­клоняется то в одну, то в другую сторону.

2. Где используют переменный электрический ток?

Переменный электрический ток используют в быту и промышленности.

3. Расскажите об устройстве и принципе действия промышленного генератора.

Работа генераторов переменного тока основа­на на явлении электромагнитной индукции.

4. Чем приводится во вращение ротор генератора на тепловой электростанции; на гидроэлектростанции?

Паровой и водяной турбиной.

5. Почему в гидрогенераторах используют многополюсные роторы?

Для создания тока стандартной частоты, т.к. скорость вращения водяных турбин невысока.

6. По какому физическому закону можно определить потери электроэнергии в ЛЭП и за счёт чего их можно уменьшить?

По закону Джоуля-Ленца: Q = I 2 Rt, где Q — энергия затрачиваемая на нагревание проводов, I — действующее значение силы переменного тока в цепи, R — сопротивление проводов, t — время.

Из закона Джоуля-Ленца следует, что для этого следует уменьшать сопротивление цепи R и силу тока

7. Для чего при уменьшении силы тока во столько же раз повышают его напряжение перед подачей в ЛЭП?

Для того, чтобы не снижать мощность тока Р = UI. Передача тока небольшой мощности на большие расстояния экономически невыгодна (надо строить дорогие линии электропередач, станции и подстанции, а в результате не все потребители смогут пользоваться электричеством).

8. Расскажите об устройстве, принципе действия и применении трансформатора.

Электричество играет важную роль в жизни человека. Кроме того, его можно преобразовать в любой вид энергии. Однако бывают моменты, когда его отключают, и это очень влияет на комфорт. Для того чтобы этого не произошло, применяют устройства — генераторы тока. Основной принцип работы генератора переменного тока состоит в преобразовании энергий (механической в электрическую).

Общие сведения

С ростом научного прогресса и получением электрического тока, являющимся одним из основных видов энергии, жизнь человека стала намного комфортнее. Ведь благодаря ему, а точнее, его работе, приводятся в движение различные механизмы, освещаются и обогреваются помещения и так далее.

Ток в проводнике появляется за счёт электродвижущей силы (ЭДС), заставляющей перемещаться частицы, несущие заряд в проводнике. Если проводник испытывает воздействие магнитного поля, то это явление называется электромагнитной индукцией.

Иными словами, если соблюдается следующее условие: двигается проводник в магнитном поле или электромагнитное поле совершает движение вокруг проводника, то в последнем появляется электрический ток. В результате этого явления были созданы трансформаторы, электродвигатели и генераторы.

В современных генераторах этот контур содержит минимум три обмотки, необходимые для создания большей ЭДС. Для чёткого понимания предназначения и процессов, протекающих при преобразовании электроэнергии, нужно ознакомиться с устройством и принципом действия генератора (ЭГ).

Устройство генератора

Практически все они похожи по своему устройству, но есть некоторые отличия — это способ приведения механической части в движение (рисунок 1).

Он состоит из основных узлов:

• корпус;
• статор;
• ротор, или якорь;
• коробка коммутации.

Рисунок 1. Генератор в разрезе

Корпус, выполняющий функцию рамы, служит для крепления всех основных частей. Кроме того, в нём устанавливаются подшипники, необходимые для плавного вращения вала и увеличения срока службы устройства. Корпус изготавливают из прочного металла, а также он служит для защиты внутренних частей машины от внешних повреждений.

Статор имеет магнитные полюса, представленные в виде закреплённой обмотки для возбуждения магнитного потока Ф. Выполняется из спецстали, которая называется ферромагнитной. Ротор является подвижной частью, причем его приводит в движение какая-либо сила. В результате на якоре (роторе) образуется разность потенциалов или напряжение (U). Узел (коробка) коммутации, необходим для отведения электричества от ротора. Он состоит из проводящих колец, соединённых с графитовыми токосъёмными контактами.

Принцип действия

Закон электромагнитной индукции является основным принципом действия генератора переменного тока. Устройство и принцип работы практически одинаковы для всех типов. Происходит индукция, в результате которой появляется ЭДС в контуре, при вращении в однородном магнитном поле. Это магнитное поле вращается.

Работает генератор переменного тока следующим образом:

• ротор является магнитом, передающим при вращении магнитное поле в обмотки статора;
• статор представляет собой катушки, к которым подведены провода для съёма электрической энергии;
• при возникновении U происходит его съём.

Кольца выполняются из медного проводника, вращаются с ротором и валом одновременно. Щётки служат для передачи тока с вала на кольца. Разновидностей очень много и, следовательно, их можно классифицировать по следующим признакам:

• конструктивный план;
• метод возбуждения;
• количество фаз: однофазные, двухфазные и трёхфазные;
• тип соединения обмоток статора.

По конструктивному плану бывают с неподвижными полюсами и якорем (он вращается) и, наоборот, с вращающимися магнитными полюсами (якорь остаётся неподвижным). Последний вид получил широкое распространение, благодаря получению большего тока. При вращении ротора, полюсные наконечники которого имеют минимальный зазор между статором для создания максимального Ф, происходит генерация ЭДС в витках статорной катушки. Наконечники подбираются такой формы, чтобы U было близко к синусоидальному.

По методу возбуждения также делятся на подвиды.

1. Обмотки питаются постоянным током (независимое возбуждение). Эта модель приводится в действие при помощи другого генератора.
2. Питается своим же выпрямленным током (с самовозбуждением).
3. Возбуждение от постоянных магнитов.

Наиболее часто применяется соединение звездой и нейтральный провод, который выполняет роль компенсатора фазовых перекосов. Кроме того, нулевой провод позволяет исключить постоянную составляющую при возникновении вредоносных кольцевых токов (далее I), снижающих мощность и влияющих на нагрев.

Очень распространён инверторный тип ЭГ. Он представляет собой автономный источник питания, который производит качественную электрическую энергию. Применяется практически везде и является очень надежным источником питания, при котором отсутствуют любые скачки U. Основной принцип действия:

• вырабатывается переменный высококачественный ток, который при помощи диодного моста выпрямляется;
• постоянный ток накапливается в аккумуляторах;
• из аккумуляторов при помощи инвертора происходит преобразование в переменный стабилизированный ток.

Ещё одним отличным и долговечным вариантом является дизельный ЭГ, преобразующий энергию топлива в электрическую. Топливо сгорает и преобразовывается из химического вида энергии в тепловую. Затем тепловая энергия преобразовывается в механическую. Затем происходит трансформация по старой схеме: механическая энергия в электрическую.

В синхронном ЭГ ротор выполняет роль постоянного магнита с полюсами, число которых колеблется от 2 и более. Однако должна соблюдаться кратность 2. Во время запуска ротор генерирует слабое электромагнитное поле, но в процессе увеличения частоты вращения появляется ток в обмотке возбуждения. Во время этого процесса появляется U, поступающее на устройство, контролирующее его значение при изменении электромагнитного поля. Генераторы синхронного типа отлично зарекомендовали себя благодаря стабильно вырабатываемому U. Однако у них есть существенный недостаток — возможна перегрузка по току, а также наличие щёточного узла, который приходится иногда обслуживать.

Принцип работы ЭГ асинхронного типа основан на постоянном нахождении в режиме «торможения с подвижной частью», вращающейся с опережением. Ротор бывает фазным и короткозамкнутым. Вспомогательное магнитное поле создаётся при помощи обмотки возбуждения и продолжает индуцироваться в роторе. От количества оборотов зависит частота тока и U.

Очень интересным источником электричества является электрохимический генератор. Энергия электрического типа получается из водорода. Он является химическим источником тока, так как проходит реакция этого типа взаимодействия молекул кислорода и водорода.

Кроме того, при использовании ЭГ нужно совместно с ними применять и устройства, регулирующие параметры U и частоты. Принцип работы устройства заключается в поддержании постоянных значений U и других параметров электроэнергии для качественного питания потребителей. Регулятор также защищает генератор от перегрузок и аварийного режима. При возникновении аварийной ситуации при наличии регулятора, генератор не запустится и останется в выключенном состоянии. Это возможно при КЗ в цепи потребителей. Эти приборы улавливают U, частоту и I, а также Ф.

Вывод

Таким образом, существует огромное количество видов генераторов переменного тока, которые используются в той или иной жизненной ситуации. Они обладают всевозможными видами защиты от перегрузок, перегрева, токов КЗ. Основной принцип работы заключается в преобразовании энергии различного типа в электрическую.

Промышленные электрогенераторы – устройства, внутри которых неэлектрические виды энергии трансформируются в электрическую энергию. Трансформации подлежат механическая, тепловая и химическая виды энергии. В роли топлива для промышленных установок чаще всего используется дизель и газ, реже – твердые типы топлива. У каждого из видов электрогенераторов есть свои особенности и преимущества. Предлагаем с ними ознакомиться.

Классификация электрических генераторов

Виды электрических генераторов затрагивают не только тип используемого типа, но и свойства производимого тока, а также другие характеристики. По типу производимого тока выделяют следующие типы электрических генераторов в промышленности:

• генераторы постоянного тока — электрическая машина, преобразующая механическую в электрическую энергию постоянного тока;
• генераторы переменного тока — электрическая машина, преобразующая механическую в электрическую энергию переменного тока.

Следующая классификация установок затрагивает синхронность вращения ротора и магнитного поля статора:

• синхронные установки;
• асинхронные установки.

Классификация электрогенераторов по синхронности имеет большое значение для промышленности. Рассмотрим подробнее.

Синхронные электрические генераторы

Под синхронными установками понимаются электрические генераторы, ротор внутри которых имеет такую же скорость вращения, что и у магнитного поля, порождаемого в обмотках статора при подключении нагрузки. Это свойство позволяет таким генераторам непродолжительное время вырабатывать силу тока, в 3-4 раза большую номинальной. Поэтому синхронные генераторы подходят для питания приборов с большими пусковыми токами.

Асинхронные электрические генераторы

Асинхронные промышленные электрогенераторы имеют в своем устройстве ротор, скорость вращения которого отлична от скорости движения магнитного поля. Разница между этими скоростями называется коэффициентом скольжения. Наиболее часто используются два варианта конструкции ротора – фазная и короткозамкнутая. Пуск асинхронной установки всегда требует подачи электроэнергии извне на статор для создания магнитного поля.

Как только скорость вращения ротора превышает скорость движения магнитного поля, начинается производство электрической энергии. Коэффициент скольжения при этом увеличивается. Чем он выше, тем больше электроэнергии производится оборудованием. Асинхронные генераторы более надежные и устойчивые к высоким нагрузкам и коротким замыканиям по сравнению с синхронными. Однако они плохо выдерживают большие пусковые токи.

Бензиновые и дизельные электрогенераторы

Бензиновые и дизельные электрические генераторы считаются одними из наиболее простыми в обращении и техническом обслуживании. Принцип их работы крайне прост. От бензинового либо дизельного двигателя внутреннего сгорания на ротор передается крутящий момент. Ротор быстро раскручивается, в обмотках статора формируется магнитное поле, после чего электрогенератор начинает вырабатывать электрическую энергию.

Дизель электрические генераторы более предпочтительны для использования в промышленных условиях. По сравнению с бензиновым оборудованием они отличаются большей мощностью и количеством моточасов. Эти промышленные установки могут быть как открытыми, так и установленными в специальный защитный контейнер. Так как дизель менее летуч и воспламеняем, такие генераторы более безопасны, нежели бензиновые.

Газовые электрогенераторы

В промышленности используются не только дизельные генераторы электричества, но и газовые генераторы. Их популярность обусловлена распространенностью и небольшой стоимостью газового топлива. Практически все газовые промышленные электрогенераторы, цена которых не так высока, могут производить электроэнергию на таком горючем, как шахтные попутные газы, нефтяные газы, а также газы, полученные при переработке органики.

Промышленные газовые электрические генераторы отличаются простым внутренним устройством. Они изготавливаются из таких элементов, как камера сгорания, турбина, компрессор и электрический двигатель. Принцип работы следующий:

1. Компрессор под большим давлением нагнетает атмосферный воздух в камеру сгорания.
2. В камеру сгорания закачивается газообразное топливо, где оно смешивается с воздухом.
3. Топливо сгорает, образуется топочный газ, нагнетаемый на турбину и раскручивающий ее.
4. Тепловая энергия трансформируется на турбине в механическую энергию вращения вала.
5. Механическая энергия подводится через вал к ротору, где образуется электроэнергия.

Электрический генератор на газу имеет множество преимуществ, из-за которых такое оборудование можно встретить на многих производствах. Среди плюсов – экономичный расход, высокая экологичность и безопасность для человека, достаточно высокая производительность и мощность. Есть у таких генераторов и недостаток – высокие требования к квалификации обслуживающего персонала, т.к. газ потенциально опасен.

Твердотопливные электрогенераторы

Твердотопливные генераторы электроэнергии превращают тепловую энергию сгорания твердого топлива в электрическую. Различные типы такого оборудования способны работать на угле, сланце, дереве и торфе. Принцип работы генератора на твердом топливе во многом похож на работу газовых установок. Только в этом случае сжигается не газ, а уголь или древесина. Далее топочный газ раскручивает турбину, а она вращает ротор.

Твердотопливный генератор – электрическая станция, которая не может похвастаться высоким КПД. У лучших моделей он едва дотягивает до 30%. Тем не менее ведутся разработки установок, эффективность выработки электроэнергии которыми будет достигать 40%. Также к минусам твердотопливного оборудования стоит отнести низкую экологичность, так как продукты сгорания твердого топлива выбрасываются не иначе как в атмосферу. Поэтому эти типы электрических генераторов используются на производстве реже.

Другие типы электрических генераторов

Теперь вы знаете, какие бывают типы генераторов электрического тока, как они работают, и какими достоинствами отличаются. Стоит отметить менее популярные, но перспективные варианты электрогенераторов – термоэлектрические, ветровые, волновые и магнитогидродинамические. Наиболее перспективными для промышленного применения среди них являются ветровые электрогенераторы. Уже сегодня можно встретить эти электрические генераторы с мощностью до 5 мВт.

На нашем сайте Вы можете купить бывшие в употреблении дизельные, газовые электрогенераторы, электрические генераторы на твердом топливе, а также комбинированные промышленные генераторы, совмещающие все виды топлива, мощностью от 1 МВт европейского производства. Б/у промышленные электрогенераторы могут быть использованы на электрических станциях и в производстве.