Укажите основную причину вследствие которой асинхронные генераторы получают ограниченное применение

Асинхронный генератор Применение

Применение асинхронных генераторов (АГ) ограничивается тем, что они являются генераторами активной мощности и потребителями (извне) реактивной мощности. Следовательно, АГ способны работать лишь в системах, в которых имеются источники реактивной мощности. Таковыми могут быть либо система, в которой источником реактивной мощности является синхронная машина, выполняющая в том числе и функцию синхронного компенсатора, либо система, в которой источник реактивной мощности – батарея конденсаторов.

Асинхронные генераторы используются в качестве генераторов пиковых нагрузок на малых гидроэлектростанциях, работающих без обслуживающего персонала, так как они могут эксплуатироваться без систем регулирования частоты и напряжения. Известно также использование АГ в качестве генераторов ветроэнергетических станций.

Иногда асинхронную машину удобно использовать и в двигательном и в генераторном режимах.

В так называемых балансирных асинхронных машинах (серия АКБ) двигательный режим используется для холодной обкатки двигателей внутреннего сгорания. При горячей обкатке запускают двигатель внутреннего сгорания, асинхронная машина переходит в генераторный режим, нагружая тормозным моментом двигатель и рекуперируя энергию в сеть.

В авиации двигательный режим используется для запуска авиадвигателей, а в генераторном режиме формируется бортовая сеть трехфазного и постоянного (через выпрямитель) тока.

В системах автоматического управления, следящего электропривода, в вычислительных устройствах применяются асинхронные тахогенераторы с полым или короткозамкнутым ротором для преобразования частоты вращения вала в электрическое напряжение.

Генераторный режим асинхронной машины с фазным ротором используется в каскадных соединениях электрических машин, имеющих механическую связь и позволяющих получить от каскада специальные механические характеристики, а также в системах синхронного и синфазного поворота или вращения двух или нескольких осей, механически не связанных между собой.

Асинхронные генераторы отличаются высокой надежностью и простотой обслуживания в эксплуатации, они легко включаются на параллельную работу даже при сравнительно больших рассогласованиях угловых скоростей. Форма кривой напряжения АГ ближе к синусоидальной, чем у синхронных генераторов при работе на одну и ту же нагрузку.

Теоретические сведения

При повышении частоты вращения сверх частоты вращения холостого хода (за счет приводного двигателя) асинхронная машина переходит в генераторный режим, последовательно покрывая механические и добавочные потери холостого хода, электрические (холостого хода) и основные магнитные потери в статоре за счет механической мощности приводного двигателя. При этом ротор вращается быстрее (_р) вращающегося магнитного поля (₁), и скольжение

эдс и ток ротора меняют знаки. Электромагнитный момент становится тормозным. Меняет свою фазу на 180 и активный ток статора, определяемый величиной активной нагрузки генератора.

Следует отметить, что реактивная составляющая тока статора, определяемая величинами намагничивающего тока и тока, компенсирующего мощности полей рассеивания обмоток статора и ротора в генераторном режиме, как и в двигательном, будет иметь одну и ту же фазу (индуктивный характер по отношению к напряжению сети).

Диаграмма преобразования мощности асинхронного генератора приведена на рис. 5.1.

Работа асинхронной машины в генераторном режиме на сеть большой мощности (U_c = const, f₁ = const) описывается такими же уравнениями, схемой замещения и круговой диаграммой (нижняя часть окружности), как и в двигательном режиме, за исключением знака скольжения (s 2 / 6 2 3 4 5 6 > Следующая > >>

Асинхронный генератор

Все известные виды генераторных устройств по особенностям своей работы делятся на синхронные и асинхронные машины, причем наибольшее распространение получила именно последняя разновидность. Их конструкция и принцип действия аналогичны асинхронным двигателям, но преобразование энергии в генераторе происходит в обратном направлении (из механической в электрический её вид). С тем, как выглядит асинхронный генератор в натуре, можно ознакомиться на рисунке ниже.

Подобно двигателям асинхронного типа, включённым в реверсном режиме (на торможение), при генерации энергии наблюдается примерно тот же эффект, приводящий к её частичному рассеиванию в виде тепла. Из этого следует, что КПД такого устройства сравнительно невелико.

Принцип работы

Хорошо усвоить принцип работы асинхронного механизма поможет предварительное ознакомление с основами функционирования генераторных машин синхронного типа. Дело в том, что синхронные и асинхронные генераторы по своему устройству и способу действия очень схожи и отличаются лишь небольшими деталями (конструкцией вращающегося ротора, в частности).

В механизмах первого класса используется ротор с размещёнными на нем постоянными магнитами. При его вращении от механического привода магнитные элементы наводят в статоре меняющееся по величине и направлению э/м поле, обеспечивающее протекание переменного тока в подключённой к его зажимам нагрузке. При этом сам ротор вращается без рассогласования с создаваемой им в катушках ЭДС (синфазно с ней).

В отличие от синхронных машин, асинхронный генератор характеризуется наличием небольшого отставания вращения роторного элемента устройства по отношению к наводимому в статоре электромагнитному полю. Последнее как бы тормозит его движение, что принято называть «эффектом скольжения».

Обратите внимание! Указанное явление объясняется особенностью конструкции ротора АГ, изготавливаемого в виде короткозамкнутой цельной решётки (так называемого «беличьего колеса»). Её внешний вид приводится на фото ниже.

При вращении приводного вала под воздействием внешнего механического импульса (от двигателя внутреннего сгорания, например) за счёт остаточного магнетизма статора в решётке такого ротора наводится собственная ЭДС. Вследствие этого оба поля (и подвижное, и неподвижное) начинают взаимодействовать друг с другом в динамическом режиме.

Поскольку поле в обмотках ротора наводится с задержкой относительно неподвижного статора генератора, он несколько отстаёт от наводимого в ней э/м поля (то есть вращается асинхронно).

Возможность управления

Ещё одной особенностью синхронного генератора (как, впрочем, и асинхронного) является то, что частота и амплитуда наводимой на зажимах статора ЭДС существенно зависит от скорости вращения ротора.

Важно! С изменением подключённой к генератору активной нагрузки пропорционально ей меняется и частота вращения вала генератора, что приводит к изменению характеристик создаваемой в статоре ЭДС.

Указанный недостаток вынуждает устанавливать в устройствах синхронного и асинхронного типа электронный регулятор напряжения и частоты, обеспечивающий поддержание этих параметров на должном уровне (схема регулятора приводится ниже).

Поскольку асинхронный генератор работает по принципу рассогласованного вращения полей подвижной и неподвижной части, обеспечить регулирование выходных параметров внутри системы не удаётся. Это объясняется невозможностью организовать мгновенную обратную связь по напряжению путём подачи части выходного сигнала со статора на ротор (в АГ могут применяться лишь внешние стабилизаторы напряжения).

В этом заключается ещё одно отличие асинхронных агрегатов от их синхронных аналогов, которые по всем остальным характеристикам очень схожи с первыми.

Преимущества и области применения

К числу достоинств асинхронных генераторов относят следующие их свойства:

АГ устойчивы к перегрузкам и КЗ, а также имеют сравнительно простую конструкцию (этим они отличаются от более сложных в исполнении синхронных машин);
Показатель нелинейных искажений синусоиды у них не превышает 2-х процентов (сравните 15 % у их синхронных аналогов);
Благодаря низкому значению клирфактора, асинхронные устройства гарантируют высокую устойчивость работы подключённых к ним БИП и ТВ приёмников;
При электропитании сварочного оборудования они обеспечивают существенное улучшение качества сварки;
Для стабилизации выходного напряжения в них могут применяться внешние устройства автоматического регулирования;
Роторы АГ при вращении выделяют ограниченное количество тепла, для компенсации которого не требуется мощных вентиляторных устройств.

Последнее свойство позволяет надёжно герметизировать внутреннюю полость агрегата, то есть защитить её от проникновения пыли и грязи. Благодаря этому обстоятельству существенно расширяется сфера применения асинхронных машин, способных работать в условиях большой запыленности и повышенной влажности.

Возможность герметизации способствует тому, что электрогенераторы асинхронного типа имеют больший показатель по сроку службы и могут эксплуатироваться при пониженных температурах. Добавим к этому, что к каждой из фазных обмоток этих агрегатов допускается подключать нагрузки различной мощности.

Дополнительная информация. Допустимый показатель неравномерности фазных нагрузок (разница потребляемых ими токов) составляет для АГ порядка 70%, что невозможно реализовать при работе с синхронными агрегатами.

К легко устранимому в процессе эксплуатации недостатку следует отнести довольно «тяжелые» пусковые характеристики генератора, что удаётся исправить за счёт установки в них специальных стартовых усилителей (рисунок далее по тексту).

Указанные устройства обеспечивают возможность плавного вывода генератора в рабочий режим даже при значительных по величине пусковых токах.

Во всём остальном АГ обладают бесспорными преимуществами над синхронными машинами, некоторые различия с которыми были рассмотрены ранее. Благодаря этим достоинствам, они широко применяются в качестве источников электроэнергии в следующих хозяйственных областях:

Для энергоснабжения оборудования с реостатным или рекуперативным режимом торможения (подъёмные краны, транспортёры и тому подобное);
В промышленном оборудовании, не нуждающемся в компенсации паразитной реактивной мощности и к которому не предъявляют высоких требований по качеству поставляемой энергии;
В бытовых и полевых условиях, где требуются источники дешёвой электроэнергии с механическим приводом от дизельного двигателя;
В качестве мощного зарядного устройства, обеспечивающего подзарядку АКБ в автомастерских, например.

Помимо этого, они могут использоваться как источники электроснабжения, к которым подключаются сварочные агрегаты, а также для обеспечения бесперебойного питания особо важных объектов здравоохранения.

Виды асинхронных машин

Различные виды АГ могут отличаться по следующим рабочим характеристикам:

Типом вращающейся части генерирующего устройства – его ротора;
Количеством выходных или статорных обмоток в генераторе (числом рабочих фаз);
Схемой включения катушек трехфазного генератора – треугольником или звездой, а также способом их размещения и укладки на полюсах статора (фото ниже);

Наличием или отсутствием отдельной обмотки возбуждения.

В соответствие с первым из этих признаков, все известные разновидности АГ оснащаются короткозамкнутым или фазным ротором. Первый из них изготавливается в виде цельной конструкции цилиндрической формы, состоящей из отдельных штырей с двумя замыкающими их кольцами (типа «беличье колесо»).

Фазный ротор, в отличие от своего короткозамкнутого аналога, имеет индуктивную обмотку из изолированного провода, обеспечивающую создание динамического электромагнитного поля. Из-за особенностей своей конструкции такой ротор имеет высокую стоимость изготовления и нуждается в специализированном обслуживании.

Выходные обмотки статора, как и весь генератор, могут быть однофазными или трехфазными, что определяется непосредственным назначением данного агрегата (когда требуется источник напряжения 220 или 380 Вольт). Относительно первого из этих исполнений всё достаточно ясно, а вот у трехфазной модификации АГ имеется ещё одна особенность, касающаяся электрической схемы включения обмоток.

Известно, что для формирования любой трехфазной питающей сети в электротехнике применяются два вида включения обмоток, смещённых в векторном представлении одна относительно другой на 120 градусов. Это:

Включение звездой, когда начала катушек соединены в одной точке, где формируется нулевая жила, а их концы расходятся по трём линиям питания (вместе с нулевым проводом их получается четыре, как это указано на фото ниже);

Подсоединение по схеме «треугольник», при котором конец одной катушки соединяется с началом второй и так далее до полного замыкания цепочки. Второй вариант включения используется в 3-х проводных линиях энергоснабжения, поскольку в этой схеме отсутствует нулевой провод.

В каждом изделии АГ подключение по той или иной схеме реализуется вполне конкретными способами, позволяющими поместить провода всех обмоток статора между полюсами его сердечника. Они наматываются таким образом, чтобы каждая секция фазных катушек A, B и C была сдвинута по окружности одна относительно другой точно на 120 градусов.

В заключение обзора генераторных устройств обратим внимание на возможность изготовления АГ из асинхронного двигателя. Подобная перспектива появляется, благодаря известному принципу обратимости действия электрических машин, согласно которому направление преобразования энергии может выбираться произвольно.

Видео

Асинхронный генератор

Источники электропитания делят на синхронные и асинхронные в зависимости от типа генератора. В электротехнике, согласно законам физики, существует принцип обратимости энергии: электрические машины, которые могут преобразовывать электрическую энергию в механическую, также могут совершать обратные преобразования. Асинхронный генератор работает на данном принципе: он способен преобразовывать механическую энергию вращения ротора в электроток на обмотке статора. Применяется он на напряжения 220 и 380 В.

Вид асинхронного генератора

В генераторном режиме работы меняется знак скольжения, и двигатели асинхронного типа генерируют электрическую энергию.

Применение

Генераторы нашли применение в качестве тяговых электродвигателей на объектах транспортной инфраструктуры в машинах с реостатным и рекуперативным торможением, а также в сельском хозяйстве в устройствах, где нет потребности в компенсации реактивной мощности и высоких требований к качеству поставляемой электроэнергии (где возможны небольшие скачки напряжения, т.к. регулятор параметров отсутствует).
Для бытовых нужд асинхронные генераторы применяются в качестве двигателя автономных электростанций, которые приводятся в действие силами природы: энергией падающей воды, силой ветра и др.
Еще одним применением является использование генератора в качестве зарядного устройства для аккумуляторных батарей.
Для электроснабжения сварочных агрегатов.
Обеспечение бесперебойным электропитанием особо важных объектов: холодильников с лекарствами и др.

Это устройство применяется для промышленных целей

Теоретически возможно переоборудование асинхронного двигателя в асинхронный генератор. Для осуществления задачи необходимо:

четко понимать, что такое ток;
знать физику преобразования механической энергии в электрическую;
создать все необходимые условия для появления электротока на обмотке статора.

Устройство асинхронного генератора

Асинхронный генератор в разрезе

Основные узлы асинхронного генератора:

Ротор – вращающийся элемент, на котором образуется ЭДС. Тип исполнения – короткозамкнутый. Токопроводящие поверхности изготовлены из алюминия.
Ввод кабеля необходим для отпуска полученного электричества.
Датчик температуры для обмотки генератора необходим для постоянного мониторинга температуры на этой обмотке.
Герметичные фланцы предназначены для уплотнения соединения деталей.
Статор, на обмотке которого в процессе генерируется электроэнергия.
Обмотка может быть двух типов: однофазная и трехфазная (для напряжения 220 и 380 В), размещена на поверхности статора в виде звезды. 3 точки соединяются между собой, 3 другие – с контактными кольцами.
Контактные кольца не имеют электрической связи между собой, закреплены на валу ротора.
Щетки необходимы как регулятор, при помощи них происходит запуск трехфазного реостата, за счет чего можно контролировать сопротивление обмотки ротора.
Короткозамыкатель применяется для принудительной остановки реостата.

Принцип работы

Во время вращения лопаток ротора на токопроводящей части его начинает появляться электрический ток. Образующееся магнитное поле, наводит на обмотки статора два типа переменного напряжения – однофазное и трехфазное.

Регулировка параметров вырабатываемой энергии осуществляется изменением нагрузки на статоре. Регулятор в схеме отсутствует, т.к. конструктивно устройство не может быть оборудовано данным узлом: отсутствует электрическая связь между ротором и статором.

В каких случаях необходимо применение асинхронных устройств:

тяжелые условия работы оборудования – запыленность;
нет особых требований к качеству преобразованной энергии (величины частоты и напряжения);
нет возможности установки синхронной машины;
ограниченный бюджет объекта;
существует вероятность перегрузок в переходном процессе работы.

Асинхронные устройства не терпят частых перегрузок во время работы. При работе с завышенной мощностью срабатывает защита. Повторный запуск устройств оказывает негативное влияние на экономический эффект установки.

Т.к. отсутствует регулятор параметров, необходимо подключение измерительных приборов.

Для корректной работы системы и исключения преждевременных ремонтов, необходимо произвести расчет мощности генератора, исходя из предполагаемой нагрузки объекта.

Принцип работы в двухфазном режиме асинхронного генератора применяется для случаев, которые не требуют генерации трехфазного напряжения.

Преимущества:

малая рабочая емкость;
низкие нагрузки в режиме холостого хода, и как следствие, экономия первичного энергоносителя (ресурс, который приводит в действие ротор).

Недостатки:

отсутствует регулятор напряжения тока.

Маломощные генераторы 220 В

В качестве устройства-донора применяются асинхронные электродвигатели с короткозамкнутыми роторами от стиральных машин, бытовых пылесосов, электроприборов полива и аналогичные, в которых конденсаторные батареи подключены в схему параллельно рабочей обмотке. Для повышения эффективности работы увеличивают емкость конденсатора: в меньшей степени для активной нагрузки (лампы, паяльники), и в большей – для индуктивной (например, холодильники, телевизоры и т.п.).

Первичный механический двигатель (рекомендации):

Мощность первичного устройства выбирается на 50..100% больше, чем потребляемая мощность асинхронным генератором. Это необходимо для снижения потерь и повышения КПД процесса. Повышения КПД добиваются путем постоянного или кратковременного увеличения оборотов механического элемента.
Так как в схеме отсутствует регулятор тока, для стабильной работы установки необходим постоянный контроль параметров, т.е. наличие прибора измерения частоты (тахометра), напряжения (вольтметра) и набора переключателей (для подключения нагрузки на генератор, и два – для коммутации цепи возбуждения. Такая схема упрощает запуск и повышает стабильность работы электрооборудования.
В случае присоединения к генератору бытовой сети освещения, в электрической цепи необходимо предусмотреть двухфазный рубильник, который в данном случае будет отключать электроосвещение от стационарной сети.

Однофазные рубильники для отключения применять запрещено в данном случае, т.к. необходимо отключение фазного и нулевого провода.

Эффективность установки

Перед проведением реконструкции необходимо учитывать масштаб экономического эффекта нового оборудования и целесообразность проведения процедуры.

Преимущества устройств:

Низкая себестоимость электроэнергии: для преобразования необходимо наличие магнитного поля, которое генерирует электрический ток.
В токе малое количество высших гармоник: малые потери на собственный нагрев, образование магнитных полей и др.
Высокая надежность.
Отсутствие цепи возбуждения.
Дешевизна готовых моделей.
Возможность переоборудования простейшего асинхронного двигателя в генератор.
Отсутствие в схеме устройства коллекторно-щеточного механизма, что повышает срок эксплуатации.
Отсутствие необходимости обслуживания конденсаторных батарей.

Недостатки:

Невозможность выработать промышленную частоту генерируемого тока.
Отсутствует регулятор параметров сети.
Необходимость включения в схему работы выпрямителей.
Индуктивная нагрузка требует увеличения прилагаемой потребной емкости. Следовательно, возрастает потребность подключения в схему устройства дополнительных конденсаторных элементов. Что впоследствии повышает стоимость установки.
Не меньшая техническая сложность устройства, чем синхронные генераторы.
Высокая чувствительность к перепадам нагрузки. Т.к. для работы устройства используется конденсатор, который забирает энергию (в традиционных генераторах применяют аккумуляторы, имеющие запас мощности), при увеличении нагрузки электроэнергии может не хватить на подзарядку и генерация прекратится. Для предотвращения этого явления используют батареи с изменяемым объемом емкости в зависимости от нагрузки. Применение данного оборудования экономически целесообразно для крупных объектов.

Преобразование двигателя

Принцип преобразования двигателя в простейший асинхронный генератор:

Для модернизации понадобится двигатель от стиральной машины.
Уменьшить толщину стенок сердечника. Для этого необходимо на токарном станке обточить по 2 мм по всей поверхности. Проделать отверстия (несквозные) не более 5мм глубиной.
Из тонкого листа металла либо жести изготовить полосу, размерами соответствующую габаритам ротора.
Установить неодимовые магниты в полученной свободной площади в количестве не менее 8 штук. Зафиксировать суперклеем.

Магниты необходимо прижимать к поверхности до полного застывания, иначе произойдет их смещение. Рекомендовано использовать очки, чтобы клей не попал в глаза в случае выскальзывания магнита.

Плотной бумагой закрыть ротор со всех сторон и зафиксировать края скотчем.
Эффективно загерметизировать мастикой торцевую часть ротора.
Свободное пространство между магнитными элементами заполнить эпоксидной смолой через проделанное отверстие в бумаге.
После застывания смолы убрать слой бумаги.
Отшлифовать поверхность ротора наждачной бумагой, при наличии можно использовать дремель.
Двумя проводами присоединить двигатель к рабочей обмотке. Удалить все неиспользуемые проводники.
При необходимости заменить подшипники на новые.
Установить выпрямитель тока и контроллер зарядки.

Тестирование собранного прибора

Советы по эксплуатации

При использовании асинхронного генератора, как и других электроустройств, необходимо соблюдать правила техники безопасности:

Прибор должен быть защищен от механических воздействий и погодных условий.
Рекомендовано изготовление специального защитного кожуха под собранный генератор.
Для корректной работы необходим постоянный мониторинг параметров устройства (напряжения, частоты), т.к. отсутствует регулятор величины тока. Установка измерительных приборов позволит контролировать эффективность автономной системы.
Самодельный генератор в целях безопасности рекомендовано использовать на напряжение 0,23 кВ.
Устройство должно быть присоединено к контуру заземления.
Следует избегать длительной работы в режиме холостого хода.
Запрещено допускать перегрев оборудования.
Генератор необходимо оборудовать кнопкой включения/отключения для оптимизации работы.

При отсутствии знаний основ электротехники специалисты настоятельно рекомендуют приобрести генератор заводского изготовления.

Реконструкция асинхронного двигателя

Процесс состоит из трех этапов:

Подключение конденсаторных батарей к зажимам. После этого на обмотке начинается процесс намагничивания, который обусловлен движением опережающего тока.
Самовозбуждение устройства. Происходит при правильном подборе емкости конденсаторов.
Получение итоговых значений напряжения. Зависят от технических характеристик устройства, типа и емкости конденсаторов.

Модернизация асинхронного двигателя

При правильном выполнении действий можно получить генератор с характеристиками асинхронного двигателя.

Видео

Асинхронные генераторы – полезная вещь в домашнем хозяйстве. Более мощные устройства вполне могут служить в качестве автономных электростанций, которые обеспечат нормальные параметры напряжения и частоты сети.

Один из первых генераторов с возбудителем переменного тока

Экономически целесообразно переоборудовать заведомо рабочий неиспользуемый асинхронный электродвигатель. Только при этом будет наблюдаться экономический эффект, в отличие от приобретения нового устройства.

Несмотря на достаточно трудоемкий принцип модернизации, отсутствующий регулятор параметров сети, самодельные асинхронные генераторы являются хорошим решением для минимизации финансовых затрат на электроэнергию в условиях постоянно растущих цен на энергоносители.

Синхронные и асинхронные генераторы

Бензиновые и дизельные электростанции состоят из двух основных блоков – двигателя и генератора, объединенных на одной раме.

В бытовых электростанциях в большинстве случаев используются двигатели внутреннего сгорания. В двигателе внутреннего сгорания энергия сгорания топлива преобразуется в механическую работу (вращение вала). Бытовые газовые электростанции представляют собой бензиновые, адаптированные для работы на газе.

Генераторы преобразуют механическую энергию в электрическую.

Бывают двух типов:

Синхронные
Асинхронные.

Рассмотрим плюсы и минусы каждого из них.

Но сначала, Принцип работы электрического генератора

Принцип действия любого генератора основан на явлении электромагнитной индукции. Преобразование механической энергии двигателя (вращательной) в энергию электрического тока поясняет следующая картинка:

Если в однородном магнитном поле равномерно вращается рамка, то в ней возникает, переменная Э.Д.С. (электродвижущая сила), частота которой равна частоте вращения рамки. Будем ли мы вращать рамку в магнитном поле, или магнитное поле вокруг рамки, либо магнитное поле внутри рамки, результат будет один – Э.Д.С. , изменяющаяся по гармоническому закону.

Видео, принцип работы электрического генератора тока.

Отличительные особенности синхронных и асинхронных генераторов:

Синхронный генератор

Это синхронная электрическая машина, работающая в режиме генератора в которой частота вращения магнитного поля статора равна частоте вращения ротора. Ротор состоит из обмоток при подаче напряжения на которые появляется магнитное поле с магнитными полюсами и создает вращающееся магнитное поле, которое пересекая обмотку статора, наводит в ней ЭДС.

В зависимости от типа обмотки, ротор может быть короткозамкнутым либо фазным. Вращающееся магнитное поле, созданное вспомогательной обмоткой статора, индуцирует на роторе магнитное поле, которое вращаясь вместе с ротором, наводит ЭДС в рабочей обмотке статора, так же как и в асинхронном генераторе

Ротор, при запуске электростанции , создает слабое магнитное поле, но с увеличением оборотов, увеличивается и ЭДС в обмотке возбуждения. Напряжение с этой обмотки через блок автоматической регулировки (AVR) поступает на ротор, контролируя выходное напряжение за счет изменения магнитного поля.

Например, подключенная индуктивная нагрузка размагничивает генератор и снижает напряжение, а при подключении емкостной нагрузки происходит подмагничивание генератора и повышение напряжения. Это называется “реакцией якоря”.

Для обеспечения стабильности выходного напряжения необходимо изменять магнитное поле ротора путем регулирования тока в его обмотке ( для синхронных генераторов), что и обеспечивается блоком AVR ( Автоматический вольт регулятор).

Благодаря такому способу регулировки, вне зависимости от изменения тока нагрузки и оборотов двигателя электростанции стабильность выходного напряжения генератора остается очень высокой, на уровне ±1%.

Преимуществом синхронных генераторов является высокая стабильность выходного напряжения, а недостатком – возможность перегрузки по току, так как при завышенной нагрузке, регулятор может чрезмерно повысить ток в обмотке ротора, что может привести к выходу из строя.

Еще к недостаткам синхронных генераторов можно отнести наличие щеточного узла, который рано или поздно придется обслуживать, правда в настоящее время этот недостаток практически устранен.Так как, современные синхронные генераторы являются в большинстве своем без щеточными, их ротор не имеет коллекторно-щеточного узла, а ток в обмотке возбуждения (в роторе) индуцируется за счет переменного магнитного поля, создаваемого основной и/или дополнительной обмоткой статора.

Асинхронный генератор

Асинхронная электрическая машина работающая в режиме торможения, ротор которой вращается с опережением, но в том же направлении что и магнитное поле статора.

В асинхронном генераторе ротор выполнен виде постоянного магнита или электромагнита. Число полюсов ротора может быть два, четыре и т.д., но кратно двум.

В бытовых бензиновых и дизельных электростанциях используется, как правило, ротор с двумя полюсами, чем и обусловлена частота вращения двигателя электростанции 3000 об/мин. В дизельных электростанциях с частотой вращения 1500 об/мин используется четырехполюсной асинхронный генератор.

Вращающееся магнитное поле остается всегда неизменным и не регулируемым, вследствие чего напряжение и частота на выходе генератора зависит от частоты оборотов ротора и следовательно от стабильности вращения двигателя электростанции.

Несмотря на простоту обслуживания, малую чувствительность к короткому замыканию и невысокую стоимость, асинхронные генераторы применяются достаточно редко, так как имеются ряд недостатков: высокая себестоимость, зависящий от активно-индуктивного характера нагрузки; ненадежность работы в экстремальных нагрузках; зависимость выходного напряжения и частоты тока от устойчивости работы двигателя и т.д.

Генераторы переменного тока

Генератор — устройство, преобразующее один вид энергии в другой.
В данном случае рассматриваем преобразование механической энергии вращения в электрическую.

Различают два типа таких генераторов. Синхронные и асинхронные.

Синхронный генератор. Принцип действия

Отличительным признаком синхронного генератора является жёсткая связь между частотой f переменной ЭДС, наведённой в обмотке статора, и частотой вращения ротора n , называемой синхронной частотой вращения:

n = f / p

где p – число пар полюсов обмотки статора и ротора.
Обычно частота вращения выражается в об/мин, а частота ЭДС в Герцах (1/сек), тогда для количества оборотов в минуту формула примет вид:

n = 60·f / p

На рис. 1.1 представлена функциональная схема синхронного генератора. На статоре 1 расположена трёхфазная обмотка, принципиально не отличающаяся от аналогичной обмотки асинхронной машины. На роторе расположен электромагнит с обмоткой возбуждения 2, получающей питание постоянным током, как правило, через скользящие контакты, осуществляемые посредством двух контактных колец, расположенных на роторе, и двух неподвижных щёток.
В некоторых случаях в конструкции ротора синхронного генератора вместо электромагнитов могут использоваться постоянные магниты, тогда необходимость в наличии контактов на валу отпадает, но существенно ограничиваются возможности стабилизации выходных напряжений.

Приводным двигателем (ПД), в качестве которого используется турбина, двигатель внутреннего сгорания либо другой источник механической энергии, ротор генератора приводится во вращение с синхронной скоростью. При этом магнитное поле электромагнита ротора также вращается с синхронной скоростью и индуцирует в трёхфазной обмотке статора переменные ЭДС E_A , E_B и E_C , которые будучи одинаковыми по значению и сдвинутыми по фазе относительно друг друга на 1/3 периода (120°), образуют симметричную трёхфазную систему ЭДС.

C подключением нагрузки к зажимам обмотки статора С1, С2 и С3 в фазах обмотки статора появляются токи I_A, I_B, I_C , которые создают вращающееся магнитное поле. Частота вращения этого поля равна частоте вращения ротора генератора. Таким образом, в синхронном генераторе магнитное поле статора и ротор вращаются синхронно. Мгновенное значение ЭДС обмотки статора в рассматриваемом синхронном генераторе

e = 2Blwv = 2πBlwDn

Здесь: B – магнитная индукция в воздушном зазоре между сердечником статора и полюсами ротора, Тл;
l – активная длина одной пазовой стороны обмотки статора, т.е. длина сердечника статора, м;
w – количество витков;
v = πDn – линейная скорость движения полюсов ротора относительно статора, м/с;
D – внутренний диаметр сердечника статора, м.

Формула ЭДС показывает, что при неизменной частоте вращения ротора n форма графика переменной ЭДС обмотки якоря (ста- тора) определяется исключительно законом распределения магнитной индукции B в зазоре между статором и полюсами ротора. Если график магнитной индукции в зазоре представляет собой синусоиду B = B_max sinα , то ЭДС генератора также будет синусоидальной. В синхронных машинах всегда стремятся получить распределение индукции в зазоре как можно ближе к синусоидальному.

Так, если воздушный зазор δ постоянен (рис. 1.2), то магнитная индукция B в воздушном зазоре распределяется по трапецеидальному закону (график 1). Если же края полюсов ротора «скосить» так, чтобы зазор на краях полюсных наконечников был равен δ_max (как это показано на рис. 1.2), то график распределения магнитной индукции в зазоре приблизится к синусоиде (график 2), а, следовательно, и график ЭДС, индуцированной в обмотке генератора, приблизится к синусоиде. Частота ЭДС синхронного генератора f (Гц) пропорциональна синхронной частоте вращения ротора n (об/с)

где p – число пар полюсов.
В рассматриваемом генераторе (см. рис.1.1) два полюса, т.е. p = 1.
Для получения ЭДС промышленной частоты (50 Гц) в таком генераторе ротор необходимо вращать с частотой n = 50 об/с (n = 3000 об/мин).

Способы возбуждения синхронных генераторов

Самым распространенным способом создания основного магнитного потока синхронных генераторов является электромагнитное возбуждение, состоящее в том, что на полюсах ротора располагают обмотку возбуждения, при прохождении по которой постоянного тока, возникает МДС, создающая в генераторе магнитное поле. До последнего времени для питания обмотки возбуждения применялись преимущественно специальные генераторы постоянного тока независимого возбуждения, называемые возбудителями В (рис. 1.3, а). Обмотка возбуждения (ОВ) получает питание от другого генератора (параллельного возбуждения), называемого подвозбудителем (ПВ). Ротор синхронного генератора, возбудителя и подвозбудителя располагаются на общем валу и вращаются одновременно. При этом ток в обмотку возбуждения синхронного генератора поступает через контактные кольца и щётки. Для регулирования тока возбуждения применяют регулировочные реостаты, включаемые в цепи возбуждения возбудителя r₁ и подвозбудителя r₂ . В синхронных генераторах средней и большой мощности процесс регулирования тока возбуждения автоматизируют.

В синхронных генераторах получила применение также бесконтактная система электромагнитного возбуждения, при которой синхронный генератор не имеет контактных колец на роторе. В качестве возбудителя в этом случае применяют обращенный синхронный генератор переменного тока В (рис. 1.3, б). Трехфазная обмотка 2 возбудителя, в которой наводится переменная ЭДС, расположена на роторе и вращается вместе с обмоткой возбуждения синхронного генератора и их электрическое соединение осуществляется через вращающийся выпрямитель 3 непосредственно, без контактных колец и щёток. Питание постоянным током обмотки возбуждения 1 возбудителя В осуществляется от подвозбудителя ПВ – генератора постоянного тока. Отсутствие скользящих контактов в цепи возбуждения синхронного генератора позволяет повысить её эксплуатационную надёжность и увеличить КПД.

В синхронных генераторах, в этом числе гидрогенераторах, получил распространение принцип самовозбуждения (рис. 1.4, а), когда энергия переменного тока, необходимая для возбуждения, отбирается от обмотки статора синхронного генератора и через понижающий трансформатор и выпрямительный полупроводниковый преобразователь ПП преобразуется в энергию постоянного тока. Принцип самовозбуждения основан на том, что первоначальное возбуждение генератора происходит за счёт остаточного магнетизма машины.

На рис. 1.4, б представлена структурная схема автоматической системы самовозбуждения синхронного генератора (СГ) с выпрямительным трансформатором (ВТ) и тиристорным преобразователем (ТП), через которые электроэнергия переменного тока из цепи статора СГ после преобразования в постоянный ток подаётся в обмотку возбуждения. Управление тиристорным преобразователем осуществляется посредством автоматического регулятора возбуждения АРВ, на вход которого поступают сигналы напряжения на входе СГ (через трансформатор напряжения ТН) и тока нагрузки СГ (от трансформатора тока ТТ). Схема содержит блок защиты (БЗ), обеспечивающий защиту обмотки возбуждения (ОВ) от перенапряжения и токовой перегрузки.

Мощность, затрачиваемая на возбуждение, обычно составляет от 0,2 до 5 % полезной мощности (меньшее значение относится к генераторам большой мощности).
В генераторах малой мощности находит применение принцип возбуждения постоянными магнитами, расположенными на роторе машины. Такой способ возбуждения даёт возможность избавить генератор от обмотки возбуждения. В результате конструкция генератора существенно упрощается, становится более экономичной и надёжной. Однако, из-за высокой стоимости материалов для изготовления постоянных магнитов с большим запасом магнитной энергии и сложности их обработки применение возбуждения постоянными магнитами ограничено машинами мощностью не более нескольких киловатт.

Синхронные генераторы составляют основу электроэнергетики, так как практически вся электроэнергия во всём мире вырабатывается посредством синхронных турбо- или гидрогенераторов.
Так же синхронные генераторы находят широкое применение в составе стационарных и передвижных электроустановок или станций в комплекте с дизельными и бензиновыми двигателями.

Асинхронный генератор. Отличия от синхронного

Асинхронные генераторы принципиально отличаются от синхронных отсутствием жесткой зависимости между частотой вращения ротора и вырабатываемой ЭДС. Разницу между этими частотами характеризует коэффициент s — скольжение.

здесь:
n — частота вращения магнитного поля (частота ЭДС).
n _r — частота вращения ротора.

Более подробно с расчётом скольжения и частоты можно ознакомиться в статье: асинхронные генераторы. Частота.

В обычном режиме электромагнитное поле асинхронного генератора под нагрузкой оказывает тормозной момент на вращения ротора, следовательно, частота изменения магнитного поля меньше, поэтому скольжение будет отрицательным. К генераторам, работающим в области положительных скольжений, можно отнести асинхронные тахогенераторы и преобразователи частоты.

Асинхронные генераторы в зависимости от конкретных условий применения выполняются с короткозамкнутым, фазным или полым ротором. Источниками формирования необходимой энергии возбуждения ротора могут являться статические конденсаторы или вентильные преобразователи с искусственной коммутацией вентилей.

Асинхронные генераторы можно классифицировать по способу возбуждения, характеру выходной частоты (изменяющаяся, постоянная), способу стабилизации напряжения, рабочим областям скольжения, конструктивному выполнению и числу фаз.
Последние два признака характеризуют конструктивные особенности генераторов.
Характер выходной частоты и методы стабилизации напряжения в значительной степени обусловлены способом образования магнитного потока.
Классификация по способу возбуждения является основной.

Можно рассмотреть генераторы с самовозбуждением и с независимым возбуждением.

Самовозбуждение в асинхронных генераторах может быть организовано:
а) с помощью конденсаторов, включенных в цепь статора или ротора или одновременно в первичную и вторичную цепи;
б) посредством вентильных преобразователей с естественной и искусственной коммутацией вентилей.

Независимое возбуждение может осуществляться от внешнего источника переменного напряжения.

По характеру частоты самовозбуждающиеся генераторы разделяются на две группы. К первой из них относятся источники практически постоянной (или постоянной) частоты, ко второй переменной (регулируемой) частоты. Последние применяются для питания асинхронных двигателей с плавным изменением частоты вращения.

Более подробно рассмотреть принцип работы и конструктивные особенности асинхронных генераторов планируется рассмотреть в отдельных публикациях.

Асинхронные генераторы не требуют в конструкции сложных узлов для организации возбуждения постоянным током или применения дорогостоящих материалов с большим запасом магнитной энергии, поэтому находят широкое применение у пользователей передвижных электроустановок по причине своей простоты и неприхотливости в обслуживании. Используются для питания устройств, не требующих жёсткой привязки к частоте тока.
Техническим достоинством асинхронных генераторов можно признать их устойчивость к перегрузкам и коротким замыканиям.
С некоторой информацией по мобильным генераторным установкам можно ознакомиться на странице:
Дизель-генераторы.
Асинхронный генератор. Характеристики.
Асинхронный генератор. Стабилизация.

Замечания и предложения принимаются и приветствуются!

Синхронные и асинхронные генераторы. Отличия и особенности.

Синхронные и асинхронные генераторы. Отличия и особенности

Эта статья будет посвящена такому вопросу как «различия между синхронными и асинхронными генераторами». Казалось бы вопрос довольно простой и не требует детального разбирательства, можно открыть учебник физики и все прочесть, да и в интернете должно быть много информации. Все верно, но учебник физики есть не у всякого, а в интернете слишком много противоречивой информации.

Различные сайты размещают у себя противоречивые определения одного и того же.

В этой статье мы дадим точное, максимально полное и понятное описание.

Про то, что такое электростанция, генератор и двигатель Вы уже прочти или же можете прочесть в статье на нашем сайте, которая так и называется: «Что такое генератор/электростанция».

Первое определение синхронного генератора будет техническим, а второе более практическим. Первое поможет понять устройство и принцип его работы, а второе применить знания и точнее определиться с типом генератора, который Вам необходим.

Синхронный генератор

I . Синхронный генератор – механизм, работающий в режиме генерации энергии, в котором частота вращения магнитного поля стартора [1] равна частоте вращения ротора [2] . Ротор с магнитными полюсами создает вращающееся магнитное поле, которое пересекая обмотку стартера, наводит в ней ЭДС [3] .

В синхронном генераторе ротор выполнен в виде постоянного магнита или электромагнита. Число полюсов ротора может быть два, четыре и т.д., но ОБЯЗАТЕЛЬНО кратно двум. В бытовых электростанция чаще всего применяют ротор с двумя полюсами. Именно этим объясняется частота вращения двигателя электростанции – 3000 об/мин [4] .

При старте электростанции, ротор создает слабое магнитное поле, но с ростом оборотов, увеличивается и ЭДС в обмотке возбуждения. Напряжение с этой обмотки через блок автоматической регулировки ( AVR ) поступает на ротор, контролируя выходное напряжение за счет изменения магнитного поля. Рассмотрим на примере: Подключение индуктивной нагрузки размагничивает генератор и снижает напряжение, а подключение емкостной нагрузки вызывает подмагничивание генератора и рост напряжения. Такое явление носит название «реакция якоря».

Обеспечение стабильного выходного напряжения происходит за счет изменения магнитного поля ротора путем регулирования тока в его обмотке. Это происходит за счет использования блока автоматической регулировки ( AVR ). Основным достоинством синхронного генератора является высокая стабильность выходного напряжения. Несовершенство синхронных генераторов – это возможность перегрузки по току, так как при превышении допустимой нагрузки, регулятор может слишком сильно поднять то к в обмотке ротора. Также синхронные генераторы требует периодического обслуживания, пусть и не очень частого [5] .

II . Синхронный генератор – тип генератора, который способен кратковременно выдавать ток в 3-4 раза выше номинального. Также синхронные генераторы оптимальны для подключения оборудования с высокими стартовыми токами. Это электродвигатели, насосы, компрессоры, дисковые пилы и прочий электроинструмент. Для подключения сварочных аппаратов тоже желательно использовать электростанции с синхронными генераторами.

Асинхронный генератор

I .Асинхронный генератор – асинхронный двигатель, работающий в режиме торможения. В этом случае ротор вращается в одном направлении с магнитным полем стартера, но с опережением.

Различают короткозамкнутые и фазные роторы в зависимости от типа обмотки. Вращающееся магнитное поле, создаваемое вспомогательной обмоткой стартора, индуцирует на роторе магнитное поле, которое вращаясь вместе с ротором, наводит ЭДС в рабочей обмотке стартора, тоже принцип, что в синхронном генераторе. Вращающееся магнитное поле остается всегда неизменным и не поддается регулировке, поэтому частота и напряжение на выходе генератора зависят от частоты оборотов ротора, которые в свою очередь, зависят от стабильности работы двигателя электростанции.

Генераторы асинхронного типа имеют малую чувствительность к короткому замыканию и высокую степень защиты от внешних воздействий. О классах защиты мы поговорим немного позднее. Цена генераторов такого типа ниже, что является еще одним плюсом.

Асинхронные генераторы менее распространены из-за ряда недостатков: такой генератор потребляет намагничивающий ток значительной силы, поэтому для его работы требуются конденсаторы; ненадежность работы в экстремальных условиях; зависимость напряжения и частоты тока от устойчивости работы двигателя.

II . Асинхронный генератор – генератор, который можно использовать только с приборами не имеющими высоких стартовых токов и устойчивыми к незначительным перепадам напряжения. Такие генераторы стоят дешевле чем синхронные и имеют более высокий класс защиты от внешних условий.

Классы защиты генераторов

Этот параметр обозначается буквами ( IP ) и двумя цифрами, которые и несут смысловую нагрузку. Разберемся поподробнее.

Синхронные генераторы сейчас чаще всего соответствуют классу IP 23, тогда как асинхронные – IP 54. Хотя в последнее время все больше производителей начинают выводить на рынок синхронные генераторы с таким же высоким классом защиты ( IP 54) как и у асинхронных генераторов. Такая разница в классах защиты объясняется конструктивными особенностями генераторов обоих типов. На синхронном генераторе находятся катушки индуктивности, а асинхронный генератор имеет более простую конструкцию (еще говорят «закрытую»), поскольку его ротор напоминает маховик.

• 0-защита отсутствует
• 1-защита от предметов > 50 мм
• 2-защита от предметов > 12 мм
• 3-защита от предметов > 2.5 мм
• 4-защита от предметов > 1 мм
• 5-защита от пыли

Вторая цифра означает:

• 0-защита отсутствует
• 1-защита от вертикально падающих капель воды
• 2-защита от капель воды, падающих под углом 15 градусов к вертикали
• 3-защита от брызг воды, падающих под углом 60 градусов к вертикали
• 4-защита от водяной пыли, распыленной со всех сторон
• 5-защита от струй воды со всех сторон

Надеемся, что после прочтения этой статьи Вам станет немного проще выбрать генератор, который подойдет Вам больше всего.

Специалисты интернет магазина

генераторов и электростанций «Мега-ватт»

[1] Статор (англ. stator, от лат. sto — стою) электромашины, неподвижная часть электрической машины, выполняющая функции магнитопровода и несущей конструкции. Стартор состоит из сердечника и станины.

[2] Ротор в технике [от лат. roto — вращаю (сь)], 1) вращаюшаяся часть двигателей и рабочих машин, на которой расположены органы, получающие энергию от рабочего тела

[3] Электродвижущая сила (ЭДС) — физическая величина, характеризующая работу сторонних (непотенциальных) сил в источниках постоянного или переменного тока. В замкнутом проводящем контуре ЭДС равна работе этих сил по перемещению единичного положительного заряда вдоль контура.

ЭДС можно выразить через напряжённость электрического поля сторонних сил (Eex). В замкнутом контуре (L) тогда ЭДС будет равна:

, где dl — элемент длины контура.

ЭДС, так же как и напряжение, измеряется в вольтах.

[4] При вращении ротора его магнитное поле наводит в трёхфазной обмотке статора переменную эдс, частота которой f = р . п, где р и n — соответственно число пар полюсов и частота вращения ротора. Быстроходные С. г. (турбогенераторы) имеют малое число пар полюсов (р = 1, 2), а в тихоходных (гидрогенераторах) р достигает нескольких десятков. Величина эдс регулируется изменением тока в обмотке ротора.

[5] Щеточный узел требует замены или ремонта.