Наверняка каждый из нас открыл для себя истину, что наличие домашней электрической сети – не залог того, что ток будет подаваться в ваш дом бесперебойно. А у некоторых из нас имеется собственность в местности, куда электричество просто не проведено. В этом случае есть выход - генератор электрического тока. Речь в статье пойдет о том, как работает это устройство и о критериях его выбора для собственного пользования.

Как работает генератор электрического тока?

Вообще, электрогенераторы – это электрические машины, которые служат для того, чтобы преобразовывать энергию механическую в электрическую. Принцип действия генератора электрического тока работает на явлении электромагнитной индукции. Согласно нему в проводе, который двигается в магнитном поле, наводится ЭДС, то есть электродвижущаяся сила. В генераторе применяются электромагниты в виде обмоток из медного провода или катушек индуктивности. Когда проволочная катушка начинает вращаться, на ней вырабатывается электрический ток. Но это происходит лишь в том случае, если ее витки пересекают магнитное поле.

Виды генераторов электрического тока

В первую очередь электрогенераторы производят постоянный и переменный ток. Электрический генератор постоянного тока, состоящий из неподвижного статора с дополнительными обмотками и вращающегося ротора (якоря), служит для создания постоянного тока. Такие устройства используются в основном на предприятиях металлургии, в общественном транспорте и морских судах.

Электрические генераторы переменного тока превращают из механической энергии переменный ток путем вращения прямоугольного контура вокруг неподвижного магнитного поля или наоборот. То есть ротор за счет вращения в магнитном поле вырабатывает электроэнергию. Причем у генератора переменного тока такие вращающиеся движения совершаются намного быстрее, нежели в генераторе постоянного тока. Кстати, для дома применяются генераторы электрического тока переменного.

Кроме того, различаются генераторы по виду источника энергии. Они бывают ветровыми, или бензиновыми. Самыми популярными изделиями на рынке генераторов электрического тока считаются бензиновые, благодаря довольно простой эксплуатации и сравнительно невысокой стоимости. В целом такой прибор представляет собой генератор, соединенный с бензиновым двигателем. За 1 час работы такое устройство расходует до 2,5 л. Правда, такой генератор подходит лишь для экстренного источника тока, поскольку в сутки они могут вырабатывать ток максимум 12 часов.

Газовый генератор отличается выносливостью и экономностью. Работает такой агрегат как от газопровода, так и от сжиженного газа в баллонах. Хорошим ресурсом работы обладает дизельный электрический генератор тока. Прибор потребляет около 1-3 л топлива в час, но зато намного мощнее и подходит для постоянного электроснабжения даже большого дома.

Экологичностью отличаются ветровые электрогенераторы. К тому же ветер – бесплатное топливо. Однако стоимость самого агрегата высокая, да и габариты его немаленькие.

Как выбрать генератор электрического тока для дома?

Перед покупкой прибора важно определиться с его мощностью. Заранее следует рассчитать суммарную мощность, которая будет потребляться всеми вашими приборами, добавив небольшой запас (около 15-30 %). Кроме того, обратить внимание стоит и на тип топлива. Самыми выгодными считаются генераторы, работающие на газу. Экономным считается дизельный генератор, но сам прибор стоит немало. Бензиновый электрогенератор стоит сравнительно недорого, но топливо расходуется больше. Так же учтите при покупке тип фазы. Трехфазовые генераторы электрического тока, работающие с напряжением 380 В, универсальны. Если у вас нет дома трехфазовых приборов, вам подойдет агрегат, работающий с фазой в 230 В.

Генерирование собственного электричества – лучшее, что вы можете сделать в борьбе за энергонезависимость. Это электричество вы можете использовать чтобы открывать ворота или гараж, включать наружное освещение, продавать в сеть и уменьшить свои расходы, заряжать автомобиль или даже полностью отключиться от общей сети. В этой статье описаны несколько отличных идей как этого добиться.

Шаги

Часть 1

Солнечная энергия

Узнайте о солнечных панелях. Солнечные панели это общераспространенное решение с большим количеством преимуществ. Они работают во многих частях света и модульный вариант может быть расширен, чтобы соответствовать вашим потребностям. Существует много хорошо проработанных продуктов.

• Панели должны быть направлены на юг к солнечному свету (на север в южном полушарии, вверх вблизи экватора). Угол наклона следует установить в зависимости от широты, на которой вы находитесь. Вы можете использовать панели в районах, которые солнечны большую часть года, а также в условиях сплошной облачности.
• Фиксированные опоры можно устанавливать на отдельной структуре (в которой можно разместить аккумуляторы и контроллер заряда) или на существующей крыше. Их просто установить и обслуживать, если они расположены у земли и у них нет движущихся частей. Следящие опоры поворачиваются вслед за солнцем и более эффективны, но могут стоить дороже, чем просто добавить еще пару панелей на фиксированных опорах, чтобы компенсировать разницу. Это хитроумные механические приспособления, которые легко сломать и у них есть движущие части, которые изнашиваются со временем.
• Только потому, что заявленная мощность солнечной панели 100 Ватт, это не означает, что она способна вырабатывать ее все время. Мощность будет определена тем как вы установите панель, погодой, или тем что сейчас зима и солнце не поднимается высоко надо горизонтом.

1. Начните с малого. Купите одну или две солнечные панели для начала. Их можно устанавливать поэтапно, так что вам не надо с самого начала тратить огромные суммы. Большинство систем для крыш могут быть расширены – вам надо обратить на это внимание при покупке. Купите систему, которая может расти вместе с вашими потребностями.

   Разберитесь с обслуживанием вашей системы. Как и все остальное, если вы не будете о ней заботиться, она развалится. Определитесь, как долго она должна прослужить. Небольшая экономия сейчас может стоить вам гораздо больше в будущем. Инвестируйте в заботу о вашей системе и она позаботится о вас.

   • Постарайтесь составить бюджет расходов, связанных с поддержанием работоспособности системы в течение длительного периода времени. Вам следует избегать ситуаций, которые оставят вас без средств посреди проекта.

2. Выберите тип системы. Решите, хотите ли вы отдельностоящее решение для выработки электричества или решение, которое можно подсоединить к распределительной системе. Отдельностоящим системам нет равных в автономности, вам известен источник каждого использованного ватта. Системы, которые можно подключать в общую сеть дают вам стабильность и избыточность, а также возможность перепродавать электричество поставляющей компании. Если ваша система подключена в общую сеть, а вы следите за расходом энергии так, как будто у вас автономная система, то у вас даже получится зарабатывать небольшой дополнительный доход.

   • Свяжитесь с вашей энергопоставляющей компанией и спросите о системах, которые можно подключать в общую сеть. Возможно, они смогут предоставить льготы и подскажут, кого следует нанять, чтобы разместить ваш надежный источник электричества.

Часть 2

Использование альтернативных систем

1. Узнайте о ветряных турбинах. Это тоже отличное решение для многих районов. Иногда оно может быть даже более экономически эффективным, чем солнечная энергия.

   • Вы можете использовать самодельную ветряную турбину, сделанную из старого автомобильного генератора при помощи чертежей доступных в Сети. Хоть это и не рекомендуется делать новичкам, но достижение приемлемых результатов возможно. Существуют недорогие готовые решения.
   • У ветровой энергии, однако, есть несколько недостатков. Возможно, вам придется установить турбины слишком высоко, чтобы они работали эффективно, и ваши соседи посчитают их неприятной частью пейзажа. Птицы могут их совсем не замечать ….. до момента, когда будет слишком поздно.
   • Для ветровой энергии нужен более-менее постоянный ветер. Открытые, пустые пространства подходят лучше всего, потому что на них находится минимальное количество препятствий для ветра. Ветровая энергия часто эффективна при использовании в качестве дополнения к системам солнечной и гидро энергии.

   • Изучите гидроэлектрические минигенераторы. Существуют различные виды технических решений от самодельного пропеллера, подсоединенного к автомобильному генератору, до запутанных инженерных систем повышенной надежности. Если у вас есть выход к воде, это может стать эффективным и автономным решением.

     Попробуйте комбинированную систему. Вы всегда можете объединить любые из этих систем, чтобы получать энергию круглый год и в достаточном количестве для вашего дома.

     Подумайте об автономном генераторе. Если распределяющей сети нет или вы хотите запасной источник на случай отключения/катастрофы, вам может пригодиться генератор. Они могут работать на разных видах топлива и доступны разных размеров и мощности.

     • Многие генераторы очень медленно реагируют на изменения в нагрузке (подключение мощных приборов заставляет питание колебаться).
       • Маленькие, повсеместно доступные в строительных магазинах генераторы предназначены для нечастого использования в чрезвычайных ситуациях. Если их использовать в качестве основного источника энергии они чаще всего ломаются.
     • Большие бытовые генераторы стоят дорого. Они работают на бензине, дизельном топливе или сжиженном газе и обычно оснащены системой автоматического старта, которая запускает их в момент прекращения подачи электричества из распределительной сети. Если вы решили установить такой, убедитесь, что у вас работает дипломированный электрик и строительные нормы соблюдаются. При неправильной установке он может убить электриков, которые отключают основное электропитание не зная, что есть еще и аварийный генератор.
     • Генераторы для автодач, трейлеров или лодок небольшого размера, тихие, предназначены для продолжительного использования и гораздо более доступны. Они работают на бензине, дизельном топливе или сжиженном газе и могут работать по нескольку часов в день в течение нескольких лет.

   • Избегайте теплоэлектрогенераторов. Теплоэлектрогенераторы (ТЭГ) или совмещенные генераторы, которые производят электроэнергию из тепла – обычно пара – старомодны и неэффективны. Несмотря на то, что у них есть много поклонников, вам следует воздержаться от их использования.

Часть 3

Делаем верный выбор

Пройдитесь по магазинам. Множество производителей предлагают различные товары и услуги на рынке экологически чистой электроэнергии и некоторые из их решений подходят вам лучше, чем другие.

Исследуйте. Если вы заинтересованы в конкретном товаре проведите сравнение цен перед тем как будете говорит с поставщиком.

Спросите совета у профессионала. Найдите кого-то кому вы доверяете, чтобы помог принять вам решение. Есть поставщики, которым интересен ваш проект, и есть которым не интересен. Найдите в Интернете сообщество домашних мастеров или ему подобное чтобы получить совет, который исходит от кого-то, кто не собирается вам ничего продавать.

Разузнайте о льготах. Не забудьте узнать о местных, региональных и федеральных программах льгот, когда будете делать свои покупки. Существует много программ по которым ваши затраты по монтажу могут быть просубсидированы, либо же вам предоставят налоговые льготы за переход на экологически чистую электроэнергию.

Вам нужна квалифицированная помощь. Не каждый подрядчик или рабочий квалифицирован для установки таких систем. Работайте только с опытными поставщиками и монтажниками, у которых есть разрешение на работу с вашим оборудованием.

Часть 4

Готовимся к худшему

Узнайте о страховым покрытии для более крупных объектов. Ваш текущий полис на домовладение может не покрывать разрушение вашей системы при катастрофе, что может очень сильно вас разочаровать.

Познакомьтесь со специалистом по обслуживанию систем альтернативной энергии. Если уж вы за это взялись, не стесняйтесь просить о помощи.

Спланируйте запасной источник энергии. Естественные источники, которые используют автономные энергетические системы не всегда надежны. Солнце светит не всегда, как и ветер не всегда дует, вода тоже не всегда течет.

• Использование системы подключенной в распределительную сеть - самое недорогое решение для большинства людей, особенно для тех, кто уже является клиентом энергопоставляющих компаний. Они устанавливают один тип системы (например, солнечные панели) и подключают ее к распределительной сети. Когда поступление электроэнергии недостаточно, сеть покрывает недостаток, а когда электроэнергии в избытке – сеть выкупает излишек. Крупные системы могут постоянно крутить счетчик электроэнергии в обратную сторону.
• Если распределительной сети по близости нет, может быть гораздо дороже подключиться к ней (или даже подсоединить пристройку к дому), чем производить и хранить свою собственную электроэнергию.

1. Узнайте о хранении электричества. Распространенное решение для автономного хранения электричества это свинцово-кислотные аккумуляторы глубокой зарядки. Каждый вид аккумуляторов нуждается в разных циклах зарядки, поэтому убедитесь, что ваш контроллер заряда может работать с вашим типом аккумуляторов и правильно для этого настроен.

Часть 5

Выбор и использование аккумуляторов

Используйте аккумуляторы одного типа. Аккумуляторы нельзя мешать между собой и обычно новые аккумуляторы не очень хорошо работают, когда смешаны с более старыми.

Подсчитайте сколько аккумуляторов вам понадобится. Их емкость исчисляется в ампер-часах. Для грубого подсчета киловатт-часов умножьте ампер-часы на количество вольт (12 или 24 вольта) и разделите на 1000. Чтобы получить ампер-часы из киловатт-часов просто умножьте на 1000 и разделите на 12. Если ваше дневное потребление будет 1 киловатт-час вам понадобится примерно 83 ампера емкости 12-вольтового хранилища, но вам надо будет 5-кратное количество от рассчитанного (считая, что вы не хотите разряжать аккумуляторы более чем на 20%) или примерно 400 ампер-часов, чтобы получить требуемую мощностью.

1. Выберите тип аккумулятора. Существует много видов аккумуляторов и очень важно выбрать наиболее подходящий. Понимание что вам пойдет, а что нет, очень важно для снабжения вашего дома электроэнергией.

   • Самые распространенные это кислотные аккумуляторы. Их необходимо обслуживать (верхушки снимаются, чтобы можно было долить дистиллированной воды) и время от времени они нуждаются в «компенсационной» перезарядке, чтобы убрать серу с пластин и поддерживать банки в более-менее одинаковом состоянии. У некоторых высококачественных аккумуляторов банки в 2,2 вольта можно заменять независимо от других, если они испортились. «Необслуживаемые» аккумуляторы теряют жидкость по мере выпускания газа и, в конце концов, высыхают.
   • Гелиевые аккумуляторы не надо обслуживать и они не прощают проблем с зарядкой. Зарядное устройство, предназначенное для кислотных аккумуляторов, испарит гель с пластин и между электролитом и пластинами образуются зазоры. Как только одна банка пришла в состояние перезаряда (из-за неравномерного износа), весь аккумулятор становится негодным. Такие аккумуляторы хороши как часть небольшой системы, но не подходят для крупных систем.
   • Аккумуляторы с абсорбированным электролитом более дорогие, чем аккумуляторы любого другого типа, и не нуждаются в обслуживании. Они сохраняют работоспособность на протяжении долгого времени при условии, что их правильно заряжают и не позволяют слишком сильно разряжаться. Кроме того, они не могут дать протечку – даже если вы разобьете их кувалдой (мы правда не уверены, зачем вам это вообще может понадобиться). При перезаряде также они выпускают газ.
   • Автомобильные аккумуляторы – они для автомобилей. Автомобильные аккумуляторы не подходят для случаев, в которых требуются аккумуляторы глубокой зарядки.
   • Лодочные аккумуляторы это гибрид стартового аккумулятора и аккумулятора глубокой зарядки. В качестве компромиссного решения они хорошо подходят для лодок, но не очень хороши в качестве источника электроэнергии для дома.
2. Советы
   • В любом месте, где энергетические системы не подведены прямо к крыльцу, стоимость подключения нового строения к распределительной сети может превысить стоимость установки собственной системы генерирования электроэнергии.
   • Аккумулятор глубокого заряда не работают хорошо, если они часто разряжаются более чем на 20% своей емкости. Если такое происходит, их срок службы существенно уменьшится. Если вы большую часть времени разряжаете их не сильно или сильно, но не часто, их срок службы будет продлен.
   • Существует много возможностей профинансировать установку системы, а также налоговых/эксплуатационных льгот для некоторых источников электроэнергии.
   • Возможно объединиться с соседями по удаленному району и совместно оплатить систему генерации электроэнергии. О чем бы ни договорились заинтересованные стороны, в будущем это может стать источником некоторых сложностей. Возможно, придется создать кооператив домовладельцев или подобную организацию.
   • Если это не оправдывает себя в рублях и копейках оправдает ли это себя в:
     • Срочной необходимости (отсутствие систем обеспечения электроэнергией)?
     • Внутреннее спокойствие?
     • Кабель не проходит по вашей собственности?
     • Как повод для хвастовства?
   • В Сети есть много статей с большим количеством хорошей информации, но большая часть из нее сосредоточена на продаже оборудования определенного поставщика.
   • Если у вас есть доступ к проточной воде, микро-гидроэлектростанция возможно подойдет лучше, чем комбинированное решение из солнечных панелей и ветровых турбин.
   • Сборка элементов системы не является сложной задачей при условии, что вы умеете обращаться с электричеством.

   Предупреждения

   • Если вы не знакомы с теорией электричества и у вас нет познаний в технике безопасности, считайте что это список вещей, которые вам надо узнать или передать другому человеку для выполнения.
     • Вы можете нанести непоправимый урон собственности (сжечь проводку, повредить крышу или сжечь дом дотла)
     • Вы можете причинить телесные повреждения или даже смерть (удар электрическим током, падение с крыши, падение незакрепленных деталей на людей)
     • Аккумуляторы при коротком замыкании или в невентилируемом помещении могут стать причиной взрыва.
     • Разбрызганная аккумуляторная кислота может привести к серьезным ожогам и слепоте.
     • Даже постоянный ток такой мощности может остановить ваше сердце или причинить серьезные ожоги, если пройдет по украшениям надетым на вас.
     • Если дополнительный источник электропитания подключен через панель предохранителей (инвертор или генератор), убедитесь что есть очень заметный знак, предупреждающий об этом обслуживающий персонал энергопоставляющей компании. В противном случае они могут отключить основной ввод электричества и, считая, что цепь обесточена, быть убитыми электрическим током от резервного источника.
     • Вот это интересно. Вон те невинные крутящиеся колесики и красные панельки могут вас убить совсем насмерть.
   • Что бы вы ни устанавливали, убедитесь, что страховка на домовладение покроет это. Не надо надеяться на авось.
   • Сверьтесь с местными строительными нормами и правилами (СНиП).
     • Некоторые люди на самом деле считают солнечные панели «не привлекательными».
     • Некоторые люди считают ветровые турбины «шумными» И «не привлекательными».
     • Если у вас не прав на использование водных ресурсов для вас могут сделать исключение в этом случае.
   • Существую системы «все-в-одном», но обычно они или невелики, или дорогие, или и то и другое.

Термин «генерация» в электротехнику пришел из латинского языка. Он обозначает «рождение». Применительно к энергетике можно сказать, что генераторами называют технические устройства, занимающиеся выработкой электроэнергии.

При этом надо оговориться, что производить электрический ток можно за счет преобразования различных видов энергии, например:

химической;

световой;

тепловой и других.

Исторически сложилось так, что генераторами называют конструкции, которые преобразуют кинетическую энергию вращения в электричество.

По виду вырабатываемой электроэнергии генераторы бывают:

1. постоянного тока;

2. переменного.

Физические законы, которые позволяют создавать современные электрические установки для выработки электроэнергии за счет преобразований механической энергии, открыты учеными Эрстедом и Фарадеем.

В конструкции любого генератора реализуется , когда происходит наводка электрического тока в замкнутой рамке за счет пересечения ее вращающимся магнитным полем, которое создается в упрощенных моделях бытового использования или обмотками возбуждения на промышленных изделиях повышенных мощностей.

При вращении рамки изменяется величина магнитного потока.

Электродвижущая сила, наводимая в витке, зависит от скорости изменения магнитного потока, пронизывающего рамку в замкнутом контуре S, и прямо пропорциональна его значению. Чем быстрее осуществляется вращение ротора, тем выше величина вырабатываемого напряжения.

Для того чтобы создать замкнутый контур и отвести с него электрический ток, потребовалось создать коллектор и щеточный узел, обеспечивающий постоянный контакт между вращающейся рамкой и стационарно расположенной частью схемы.

За счет конструкции подпружиненных щеток, прижимающихся к коллекторным пластинам, происходит передача электрического тока на выходные клеммы, а с них дальше он поступает в сеть потребителя.

Принцип работы простейшего генератора постоянного тока

При вращении рамки вокруг оси ее левая и правая половинки циклически проходят около южного или северного полюса магнитов. В них каждый раз происходит смена направлений токов на противоположное так, что у каждого полюса они протекают в одну сторону.

Для того чтобы в выходной цепи создавался постоянный ток, на коллекторном узле создано полукольцо для каждой половинки обмотки. Прилегающие к кольцу щетки снимают потенциал только своего знака: положительный или отрицательный.

Поскольку полукольцо вращающейся рамки разомкнуто, то в нем создаются моменты, когда ток достигает максимального значения или отсутствует. Чтобы поддерживать не только направление, но и постоянную величину вырабатываемого напряжения, рамку изготавливают по специально подготовленной технологии:

у нее используют не один виток, а несколько - в зависимости от величины запланированного напряжения;

число рамок не ограничивается одним экземпляром: их стараются сделать достаточным количеством для оптимального поддержания перепадов напряжения на одном уровне.

У генератора постоянного тока обмотки ротора располагают в пазах . Это позволяет сокращать потери наводимого электромагнитного поля.

Конструктивные особенности генераторов постоянного тока

Основными элементами устройства являются:

внешняя силовая рама;

магнитные полюса;

статор;

вращающийся ротор;

коммутационный узел со щётками.

Корпус изготавливают из стальных сплавов или чугуна для придания механической прочности общей конструкции. Дополнительной задачей корпуса является передача магнитного потока между полюсами.

Полюса магнитов крепят к корпусу шпильками или болтами. На них монтируют обмотку.

Статор , называемый еще ярмом или остовом, изготавливают из ферромагнитных материалов. На нем размещают обмотку катушки возбуждения. Сердечник статора оснащен магнитными полюсами, образующими его магнитное силовое поле.

Ротор имеет синоним: якорь. Его магнитопровод состоит из шихтованных пластин, снижающих образование вихревых токов и повышающих КПД. В пазы сердечника заложены обмотки ротора и/или самовозбуждения.

Коммутационный узел со щетками может иметь разное количество полюсов, но оно всегда кратно двум. Материалом щеток обычно используют графит. Коллекторные пластины изготавливают из меди, как наиболее оптимального металла, подходящего по электрическим свойствам проводимости тока.

Благодаря использованию коммутатора на выходных клеммах генератора постоянного тока образуется сигнал пульсирующего вида.

Основные типы конструкций генераторов постоянного тока

По типу питания обмотки возбуждения различают устройства:

1. с самовозбуждением;

2. работающие на основе независимого включения.

Первые изделия могут:

использовать постоянные магниты;

или работать от внешних источников, например, аккумуляторных батарей, ветряной установки…

Генераторы с независимым включением работают от собственной обмотки, которая может быть подключена:

последовательно;

шунтами или параллельным возбуждением.

Один из вариантов подобного подключения показан на схеме.

Примером генератора постоянного тока может служить конструкция, которая раньше часто применялась на автомобильной технике. Ее устройство такое же, как у асинхронного двигателя.

Подобные коллекторные конструкции способны работать в режиме двигателя или генератора одновременно. За счет этого они получили распространение в существующих гибридных автомобилях.

Процесс образования якорной реакции

Она возникает в режиме холостого хода при неправильной настройке усилия прижатия щеток, создающее неоптимальный режим их трения. Это может привести к снижению магнитных полей или возникновению пожара из-за повышенного образования искр.

Способами ее снижения являются:

компенсации магнитных полей за счет подключения дополнительных полюсов;

настройка сдвига положения коллекторных щеток.

Преимущества генераторов постоянного тока

К ним относят:

отсутствие потерь на гистерезис и образование вихревых токов;

работа в экстремальных условиях;

пониженный вес и маленькие габариты.

Принцип работы простейшего генератора переменного тока

Внутри этой конструкции используются все те же детали, что и у предыдущего аналога:

магнитное поле;

вращающаяся рамка;

коллекторный узел со щетками для отвода тока.

Основное отличие заключается в устройстве коллекторного узла, который создан так, что при вращении рамки через щетки постоянно создается контакт со своей половинкой рамки без циклической смены их положения.

За счет этого ток, сменяющийся по законам гармоники в каждой половинке, полностью без изменений передается на щетки и далее через них в схему потребителя.

Естественно, что рамка создана намоткой не из одного витка, а рассчитанного их количества для достижения оптимального напряжения.

Таким образом, принцип работы генераторов постоянного и переменного тока общий, а отличия конструкции заключаются в изготовлении:

коллекторного узла вращающегося ротора;

конфигурации обмоток на роторе.

Конструктивные особенности промышленных генераторов переменного тока

Рассмотрим основные части промышленного индукционного генератора, у которого ротор получает вращательное движение от рядом расположенной турбины. В конструкцию статора включен электромагнит (хотя магнитное поле может создаваться набором постоянных магнитов) и обмотка ротора с определённым числом витков.

Внутри каждого витка индуктируется электродвижущая сила, которая последовательно складывается в каждом из них и образует на выходных зажимах суммарное значение напряжения, выдаваемого на схему питания подключенных потребителей.

Чтобы повысить на выходе генератора амплитуду ЭДС используют специальную конструкцию магнитной системы, выполненную из двух магнитопроводов за счет применения специальных сортов электротехнической стали в виде шихтованных пластин с пазами. Внутри их смонтированы обмотки.

В корпусе генератора расположен сердечник статора с пазами для размещения обмотки, создающей магнитное поле.

Вращающийся на подшипниках ротор тоже имеет магнитопровод с пазами, внутри которых смонтирована обмотка, получающая индуцируемую ЭДС. Обычно для размещения оси вращения выбирается горизонтальное направление, хотя, встречаются конструкции генераторов с вертикальным расположением и соответствующей конструкцией подшипников.

Между статором и ротором всегда создается зазор, необходимый для обеспечения вращения и исключения заклинивания. Но, в то же время в нем происходит потеря энергии магнитной индукции. Поэтому его стараются делать минимально возможным, оптимально учитывая оба этих требования.

Расположенный на одном валу с ротором возбудитель является электрогенератором постоянного тока, обладающим относительно небольшой мощностью. Его назначение: питать электроэнергией обмотки силового генератора в состоянии независимого возбуждения.

Подобные возбудители применяют чаще всего с конструкциями турбинных или гидравлических электрогенераторов при создании основного либо резервного способа возбуждения.

На картинке промышленного генератора показано расположение коллекторных колец и щеток для съема токов с конструкции вращающегося ротора. Этот узел при работе испытывает постоянные механические и электрические нагрузки. Для их преодоления создается сложная конструкция, которая при эксплуатации требует периодических осмотров и выполнения профилактических мероприятий.

Чтобы снизить создаваемые эксплуатационные затраты применяется другая, альтернативная технология, при которой тоже используется взаимодействие между вращающимися электромагнитными полями. Только на роторе располагают постоянные или электрические магниты, а напряжение снимают со стационарно расположенной обмотки.

При создании подобной схемы такую конструкцию могут называть термином «альтернатор». Она применяется в синхронных генераторах: высокочастотных, автомобильных, на тепловозах и судах, установках электрических станций энергетики для производства электроэнергии.

Особенности синхронных генераторов

Принцип действия

Название и отличительный признак действия заключен в создании жесткой связи между частотой переменной электродвижущей силы, наводимой в статорной обмотке «f» и вращением ротора.

В статоре вмонтирована трехфазная обмотка, а на роторе - электромагнит с сердечником и обмоткой возбуждения, запитанной от цепей постоянного тока через щеточный коллекторный узел.

Ротор приводится во вращение от источника механической энергии - приводного двигателя с одинаковой скоростью. Его магнитное поле совершает такое же движение.

В обмотках статора наводятся одинаковые по величине, но сдвинутые на 120 градусов по направлению электродвижущие силы, создающие трехфазную симметричную систему.

При подключении на концы обмоток цепей потребителей в схеме начинают действовать токи фаз, которые образуют магнитное поле, вращающееся точно так же: синхронно.

Форма выходного сигнала наводимой ЭДС зависит только от закона распределения вектора магнитной индукции внутри зазора между полюсами ротора и пластинами статора. Поэтому добиваются создания такой конструкции, когда величина индукции меняется по синусоидальному закону.

Когда зазор имеет постоянную характеристику, то вектор магнитной индукции внутри зазора создается по форме трапеции, как показано на графике линий 1.

Если же форму краев на полюсах исправить на косоугольную с изменением зазора до максимального значения, то можно добиться синусоидальной формы распределения, как показано линией 2. Этим приемом и пользуются на практике.

Схемы возбуждения синхронных генераторов

Магнитодвижущая сила, возникающая на обмотке возбуждения «ОВ» ротора, создает его магнитное поле. Для этого существуют разные конструкции возбудителей постоянного тока, основанные на:

1. контактном методе;

2. бесконтактном способе.

В первом случае используется отдельный генератор, называемый возбудителем «В». Его обмотка возбуждения питается от дополнительного генератора по принципу параллельного возбуждения, именуемого подвозбудителем «ПВ».

Все роторы размещаются на общем валу. За счет этого они вращаются совершенно одинаково. Реостаты r1 и r2 служат для регулирования токов в схемах возбудителя и подвозбудителя.

При бесконтактном способе отсутствуют контактные кольца ротора. Прямо на нем монтируют трехфазную обмотку возбудителя. Она синхронно вращается с ротором и передает через совместно вращающийся выпрямитель электрический постоянный ток непосредственно на обмотку возбудителя «В».

Разновидностями бесконтактной схемы являются:

1. система самовозбуждения от собственной обмотки статора;

2. автоматизированная схема.

При первом методе напряжение от обмоток статора поступает на понижающий трансформатор, а затем - полупроводниковый выпрямитель «ПП», вырабатывающий постоянный ток.

У этого способа первоначальное возбуждение создается за счет явления остаточного магнетизма.

Автоматическая схема создания самовозбуждения включает использование:

трансформатора напряжения ТН;

автоматизированного регулятора возбуждения АВР;

трансформатора тока ТТ;

выпрямительного трансформатора ВТ;

тиристорного преобразователя ТП;

блока защиты БЗ.

Особенности асинхронных генераторов

Принципиальное отличие этих конструкций состоит в отсутствие жесткой связи между частотами вращения ротора (nr) и индуцируемой в обмотке ЭДС (n). Между ними всегда существует разница, которую называют «скольжением». Ее обозначают латинской буквой «S» и выражают формулой S=(n-nr)/n.

При подключении нагрузки на генератор создается тормозной момент для вращения ротора. Он влияет на частоту вырабатываемой ЭДС, создает отрицательное скольжение.

Конструкцию ротора у асинхронных генераторов изготавливают:

короткозамкнутой;

фазной;

полой.

Асинхронные генераторы могут иметь:

1. независимое возбуждение;

2. самовозбуждение.

В первом случае используется внешний источник переменного напряжения, а во втором - полупроводниковые преобразователи или конденсаторы в первичной, вторичной или обоих видах схем.

Таким образом, генераторы переменного и постоянного тока имеют много общих черт в принципах построения, но отличаются конструктивным исполнением определённых элементов.

Жизнь современного человека организована таким образом, что ее инфраструктурное обеспечение задействует множество компонентов с разными технико-функциональными свойствами. К таким относится и электроэнергия. Рядовой потребитель не видит и не ощущает, как именно она выполняет свои задачи, но конечный результат вполне заметен в работе бытовой техники, да и не только. При этом вопросы, касающиеся того, откуда берется электричество, в представлении многих пользователей тех же домашних приборов остаются нераскрытыми. Для расширения знаний в этой области стоит начать с понятия об электроэнергии как таковой.

Что такое электричество?

Сложность данного понятия вполне объяснима, так как энергию невозможно обозначить как обычный предмет или явление, доступное визуальному восприятию. При этом существуют два подхода к ответу на вопрос о том, что такое электричество. Определение ученых гласит, что электричество является потоком заряженных частиц, который характеризуется направленным движением. Как правило, под частицами понимаются электроны.

В самой же отрасли энергетики чаще рассматривают электроэнергию как продукт, вырабатываемый подстанциями. С этой точки зрения имеют значение и элементы, которые непосредственно участвуют в процессе формирования и передачи тока. То есть в данном случае рассматривается энергетическое поле, создаваемое вокруг проводника или другого заряженного тела. Чтобы приблизить такое понимание энергии к реальному наблюдению, следует разобраться с таким вопросом: откуда берется электричество? Существуют разные технические средства для производства тока, и все они подчинены одной задаче — снабжению конечных потребителей. Впрочем, до момента, когда пользователи смогут обеспечить свои приборы энергией, она должна пройти несколько этапов.

Выработка электричества

На сегодняшний день в сфере энергетики применяется порядка 10 видов станций, которые обеспечивают генерацию электричества. Это процесс, в результате которого происходит преобразование определенного вида энергии в токовый заряд. Иными словами, электричество формируется в ходе переработки другой энергии. В частности, на специализированных подстанциях используют в качестве основного рабочего ресурса тепловую, ветреную, приливную, геотермальную и другие Отвечая на вопрос относительно того, откуда приходит электричество, стоит отметить инфраструктуру, которой обеспечена каждая подстанция. Любой электрогенератор обеспечен сложной системой функциональных узлов и сетей, которые позволяют аккумулировать вырабатываемую энергию и готовить ее для дальнейшей передачи на узлы распределения.

Традиционные электростанции

Хотя за последние годы тенденции в энергетике меняются быстрыми темпами, можно выделить основные работающих по классическим принципам. В первую очередь это объекты тепловой генерации. Выработка ресурса производится в результате сгорания и последующего преобразования выделяемой При этом существуют разные виды таких станций, в числе которых теплофикационные и конденсационные. Главным отличием между ними является возможность объектов второго типа также генерировать и тепловые потоки. То есть при ответе на вопрос о том, откуда берется электричество, можно отметить и станции, которые параллельно производят и другие виды энергии. Кроме тепловых объектов выработки, достаточно распространены гидро- и атомные станции. В первом случае предполагается от движения воды, а во втором — в результате деления атомов в специальных реакторах.

Альтернативные источники энергии

К данной категории источников энергии принято относить солнечные лучи, ветер, земельные недра и т. д. Особенно распространены различные генераторы, ориентированные на аккумуляцию и преобразование в электричество солнечной энергии. Подобные установки привлекательны тем, что их может использовать любой потребитель в объемах, требуемых для снабжения его дома. Впрочем, широкому распространению подобных генераторов мешает высокая стоимость оборудования, а также нюансы в эксплуатации, обусловленные зависимостью рабочих фотоэлементов от

На уровне крупных энергетических компаний активно развиваются ветряные альтернативные источники электричества. Уже сегодня целый ряд стран использует программы постепенного перехода на этот вид энергообеспечения. Впрочем, и в данном направлении есть свои препятствия, обусловленные маломощностью генераторов при высокой стоимости. Относительно новым альтернативным источником энергии является естественное тепло Земли. В данном случае станции преобразуют тепловую энергию, полученную из глубин подземных каналов.

Распределение электроэнергии

После выработки электроэнергии начинается этап ее передачи и распределения, который обеспечивается энергосбытовыми компаниями. Поставщики ресурса организуют соответствующую инфраструктуру, основу которой составляют электрические сети. Существует два вида каналов, по которым реализуется передача электричества, — воздушные и подземные кабельные линии. Данные сети являются конечным источником и главным ответом на вопрос о том, откуда берется электричество для разных нужд пользователей. Организации-поставщики прокладывают специальные трассы для распределения электроэнергии, используя при этом разные виды кабелей.

Потребители электричества

Электроэнергия требуется для самых разных задач как в бытовом хозяйстве, так и в промышленном секторе. Классическим примером использования данного носителя энергии является освещение. Однако в наши дни электричество в доме служит для обеспечения работы более широкого спектра приборов и оборудования. И это лишь небольшая часть потребностей общества в энергоснабжении.

Данный ресурс также требуется для поддержания работы транспортной инфраструктуры: для обслуживания линий троллейбусов, трамваев и метро и т. д. Отдельно стоит отметить промышленные предприятия. Заводы, комбинаты и перерабатывающие комплексы зачастую требуют подключения огромных мощностей. Можно сказать, это самые крупные потребители электроэнергии, использующие данный ресурс для обеспечения работы технологического оборудования и местной инфраструктуры.

Управление объектами электроэнергетики

Помимо организации электросетевого хозяйства, которое технически обеспечивает возможность передачи и распределения энергии для конечных потребителей, работа данного комплекса невозможна без систем управления. Для реализации этих задач поставщики используют оперативно-диспетчерские пункты, сотрудники которых реализуют централизованный контроль и управление работой вверенных им объектов электроэнергетики. В частности, подобные службы контролируют параметры сетей, к которым подключаются потребители электроэнергии на разных уровнях. Отдельно стоит отметить и отделы которые выполняют техобслуживание сетей, предотвращая износы и восстанавливая повреждения на отдельных участках линий.

Заключение

За все время существования энергетическая отрасль претерпела несколько этапов своего развития. В последнее время наблюдаются новые перемены, обусловленные активным освоением альтернативных источников энергии. Успешное развитие этих направлений уже сегодня дает возможность использовать электричество в доме, полученное от индивидуальных бытовых генераторов независимо от центральных сетей. Впрочем, и в этих отраслях есть определенные сложности. В первую очередь они связаны с финансовыми затратами на закупку и монтаж соответствующего оборудования — тех же солнечных панелей с аккумуляторами. Но поскольку энергия, вырабатываемая от альтернативных источников, является полностью бесплатной, то перспективы дальнейшего продвижения этих областей сохраняют актуальность для разных категорий потребителей.

Генератор переменного тока или генератор постоянного тока представляют собой устройство выработки электричества путём преобразования механической энергии.

Как выглядит генератор переменного тока

Как работает генератор переменного тока? Ток генерируется в проводнике под действием магнитного поля. Удобно вырабатывать ток, если вращать прямоугольную электропроводную рамку в неподвижном поле или постоянного магнита внутри её.

При его вращении вокруг оси создаваемого им магнитного поля внутри рамки с угловой скоростью ω, вертикальные стороны контура будут активными, поскольку они пересекаются магнитными линиями. На совпадающие по направлению с магнитным полем горизонтальные стороны нет никакого действия. Поэтому в них ток не индуцируется.

Как выглядит генератор с магнитным ротором

ЭДС в рамке составит:

e = 2 B max lv sin ωt ,

B max – максимальная индукция, Тл;

l – высота рамки, м;

v – скорость рамки, м/с;

t – время, с.

Таким образом, от действия изменяющегося магнитного поля в проводнике индуцируется переменная ЭДС.

Для большого количества витков w , выразив формулу через максимальный поток F m , получим такое выражение:

e = wF m sin ω t .

Принцип работы генератора переменного тока другого типа основан на вращении токопроводящей рамки между двумя постоянными магнитами с противоположными полюсами. Простейший пример приведён на рисунке ниже. Появляющееся в ней напряжение снимается токосъёмными кольцами.

Генератор тока с постоянными магнитами

Применение устройства не очень распространено из-за нагрузки подвижных контактов большим током, проходящим через ротор. Конструкция первого приведённого варианта также их содержит, но через них подаётся значительно меньше постоянного тока через витки вращающегося электромагнита, а основная мощность снимается с неподвижной обмотки статора.

Синхронный генератор

Особенностью устройства является равенство между частотой f , наведённой в статоре ЭДС и частотой оборотов ротора ω :

ω = 60∙ f / p об/мин,

где p – количество пар полюсов в обмотке статора.

Синхронный генератор создаёт в обмотке статора ЭДС, мгновенное значение которой определяется из выражения:

e = 2 π B max lwDn sin ω t,

где l и D – длина и внутренний диаметр сердечника статора.

Синхронный генератор вырабатывает напряжение с синусоидальной характеристикой. При подключении к его выводам С 1 , С 2 , С 3 потребителей, через цепь протекает одно-, или трёхфазный ток, схема ниже.

Схема трехфазного синхронного генератора

От действия изменяющейся электрической нагрузки также изменяется механическая нагрузка. При этом увеличивается или снижается скорость вращения, в результате чего меняются напряжение и частота. Чтобы такое изменение не происходило, электрические характеристики автоматически поддерживают на заданном уровне через обратные связи по напряжению и току на роторной обмотке. Если ротор генератора выполнен из постоянного магнита, он имеет ограниченные возможности стабилизации электрических параметров.

Ротор принудительно приводится во вращение. На его обмотку подаётся индукционный ток. В статоре магнитное поле ротора, вращающееся с той же скоростью, индуцирует 3 переменные ЭДС со сдвигом по фазе.

Основной магнитный поток генератора создаётся от действия постоянного тока, проходящего через обмотку ротора. Питание может поступать от другого источника. Также распространён способ самовозбуждения, когда незначительная часть переменного тока забирается от обмотки статора и проходит через обмотку ротора после предварительного выпрямления. Процесс основан на остаточном магнетизме, которого достаточно для запуска генератора.

Основные устройства, вырабатывающие почти всю электроэнергию в мире – это синхронные гидро-, или турбогенераторы.

Асинхронный генератор

Устройство генератора переменного тока асинхронного типа отличается разницей частоты вращения ЭДС ω и ротора ω r . Она выражается через коэффициент, называемый скольжением:

s = (ω – ω r)/ ω.

В рабочем режиме магнитное поле тормозит вращение якоря и его частота ниже.

Асинхронный двигатель может работать в генераторном режиме, если ω r >ω, когда ток меняет направление и энергия отдаётся обратно в сеть. Здесь электромагнитный момент становится тормозящим. Применение этого свойства распространено при опусканиях грузов или на электротранспорте.

Асинхронный генератор выбирают, когда требования к электрическим параметрам не очень высокие. При наличии пусковых перегрузок предпочтительней будет синхронный генератор.

Устройство автомобильного генератора ничем не отличается от обычного, вырабатывающего электрический ток. Он вырабатывает переменный ток, который затем выпрямляется.

Как выглядит автомобильный генератор

Конструкция состоит из электромагнитного ротора, вращающегося в двух подшипниках с приводом через шкив. Обмотка у него всего одна, с подачей постоянного тока через 2 медных кольца и графитовые щётки.

Электронное реле-регулятор поддерживает стабильное напряжение 12В, не зависящее от скорости вращения.

Схема автомобильного генератора

Ток от АКБ поступает на обмотку ротора через регулятор напряжения. Момент вращения передаётся ему через шкив и в витках обмотки статора индуктируется ЭДС. Генерируемый трёхфазный ток выпрямляется диодами. Поддерживание постоянного выходного напряжения производится регулятором, управляющим током возбуждения.

Когда двигатель увеличивает обороты, ток возбуждения уменьшается, что способствует поддерживанию постоянного выходного напряжения.

Классический генератор

Конструкция содержит двигатель, работающий на жидком топливе, вращающий генератор. Обороты ротора должны быть стабильными, иначе качество выработки электричества снижается. При износе генератора скорость вращения становится ниже, что является существенным недостатком устройства.

Если нагрузка на генератор ниже номинальной, он будет частично работать вхолостую, съедая лишнее топливо.

Поэтому важно при его приобретении сделать точный расчёт требуемой мощности, чтобы он был правильно загружен. Нагрузка ниже 25% запрещается, так как это влияет на его долговечность. В паспортах указаны все возможные режимы работы, которые необходимо соблюдать.

Многие виды классических моделей имеют приемлемые цены, высокую надёжность и большой диапазон мощностей. Важно загружать его как следует и вовремя производить техосмотр. На рисунке ниже представлены модели бензинового и дизельного генераторов.

Классический генератор: а) – бензиновый генератор, б) – дизельный генератор

Дизельный генератор

Генератор приводит в действие двигатель, работающий на дизельном топливе. ДВС состоит из механической части, панели управления, системы подачи топлива, охлаждения и смазки. От мощности ДВС зависит мощность генератора. Если она требуется небольшая, например, на бытовые приборы, целесообразным является применение бензинового генератора. Дизельные генераторы применяются там, где нужна большая мощность.

ДВС применяются в большинстве с верхней установкой клапанов. Они компактней, надёжней, удобны в ремонте, меньше выделяют токсичных отходов.

Генератор предпочитают выбирать с корпусом из металла, поскольку пластик менее долговечный. Устройства без щёток долговечней, а вырабатываемое напряжение более стабильное.

Ёмкость топливного бака обеспечивает работу на одной заправке не более 7 часов. В стационарных установках применяется внешний бак с большим объёмом.

Бензогенератор

В качестве источника механической энергии наиболее распространён четырёхтактный карбюраторный двигатель. Большей частью применяются модели от 1 до 6 кВт. Есть устройства до 10 кВт, способные обеспечить на определённом уровне загородный дом. Цены бензиновых генераторов являются приемлемыми, а ресурс – вполне достаточным, хотя и меньшим, чем у дизельных.

Генератор выбирается в зависимости от нагрузок.

Для больших пусковых токов и при частом применении электросварки лучше использовать синхронный генератор. Если взять асинхронный генератор мощнее, он справится с пусковыми токами. Однако, здесь важно, чтобы он был загружен, иначе бензин будет расходоваться нерационально.

Инверторный генератор

Машины применяются там, где требуется электроэнергия высокого качества. Они могут работать непрерывно или промежутками. Объектами энергопотребления здесь являются учреждения, где не допускаются скачки напряжения.

Основой инверторного генератора является электронный блок, который состоит из выпрямителя, микропроцессора и преобразователя.

Блок-схема инверторного генератора

Выработка электроэнергии начинается так же, как и в классической модели. Сначала вырабатывается переменный ток, который затем выпрямляется и поступает на инвертор, где снова превращается в переменный, с нужными параметрами.

Типы инверторных генераторов отличаются по характеру выходного напряжения:

• прямоугольный – самый дешёвый, способный питать только электроинструменты;
• трапецеидальный импульс – подходит для многих приборов, за исключением чувствительной техники (средняя ценовая категория);
• синусоидальное напряжение – стабильные характеристики, подходящие для всех электроприборов (самая высокая цена).

Достоинства инверторных генераторов:

• небольшие габариты и вес;
• малый расход топлива за счёт регулирования выработки количества электроэнергии, которое требуется потребителям в данный момент;
• возможность кратковременной работы с перегрузкой.

Недостатками являются высокие цены, чувствительность к температурным изменениям электронной части, небольшая мощность. Кроме того, дорого обходится ремонт электронного блока.

Инверторная модель выбирается в следующих случаях:

• устройство приобретается только в тех случаях, когда обычный генератор не подходит, поскольку цена на него высокая;
• требуется мощность не более 6 кВт;
• для постоянного использования лучше подходят классические варианты генераторов;
• необходимо частично снабжать электроэнергией бытовые приборы;
• для бытового применения лучше использовать однофазные аппараты.

Видео. Генератор переменного тока.

Генераторы переменного тока способны восполнить электричество в доме при отказе стационарного устройства, а также применяются в любом месте, где необходима подача электроэнергии.