Как вырабатывается ток в генераторе. Генератор переменного тока: устройство, принцип работы, назначение

Автомобильный генератор, непременно входящий в состав оборудования любого транспортного средства, можно сравнить с ролью электростанции в снабжении энергией потребностей народного хозяйства.

Он является основным (при работающем двигателе) источником электроэнергии в машине и предназначен через электрические провода, опутывающие весь автомобиль изнутри, поддерживать заданное и стабилизированное напряжение электросети автомашины. Принцип работы автомобильного генератора основан на теоретическом представлении работы классического электрического генератора, трансформирующего неэлектрические виды энергии в электрическую.

В конкретном случае автомобильного генератора выработка электрической энергии происходит посредством трансформации механического вращательного движения коленчатого вала моторного агрегата.

Общий принцип работы

Теоретические предпосылки, лежащие в основе схемы функционирования электрогенераторов, базируются на широко известном случае электромагнитной индукции, трансформирующей один вид энергии (механический) в другой (электрический). Действие этого эффекта проявляется при помещении медных проводов, уложенных в виде катушки, и помещённых в магнитное поле переменной величины.

Это способствует появлению в проводах электродвижущей силы, которая приводит в движение электроны. Это движение электрических частиц порождает в , а на оконечных контактах проводов возникает электрическое напряжение, по уровню напрямую зависящее от того, с какой скоростью изменяется магнитное поле. Выработанное таким образом переменное напряжение необходимо подавать во внешнюю сеть.

В автомобильном генераторе для создания магнитного явления используются обмотки статора, в котором под воздействием поля вращается якорь ротора. На валу якоря размещены токопроводящие обмотки, подключенные к специальным контактам в виде колец. Эти кольцевые контакты также закреплены на валу и вращаются вместе с ним. С колец с помощью токопроводящих щёток и происходит съём электрического напряжения и подача выработанной энергии электропотребителям транспортного средства.

Запуск генератора осуществляется посредством приводного ремня от фрикционного колеса коленчатого вала моторного агрегата, который для начала работы запускается от аккумуляторного источника. Для обеспечения эффективной трансформации производимой энергии диаметр шкива генератора должен заметно уступать в диаметре фрикционному колесу коленвала. Это обеспечивает более высокие обороты вала генераторного агрегата. В этих условиях он функционирует с повышением своего КПД и обеспечивает повышенные токовые характеристики.

Требования

Чтобы обеспечить безопасную работу в заданном диапазоне характеристик всего комплекса электроустройств работа автомобильного генератора должна удовлетворять высоким техническим параметрам и гарантировать выработку стабильного во времени уровня напряжения.

Основным требованием к автомобильным генераторам является стабильная выработка тока с требуемыми мощностными характеристиками. Эти параметры призваны обеспечивать:

• подзарядку ;
• одновременное функционирование всего задействованного электрооборудования;
• стабильное напряжение электросети в широком диапазоне изменения частот вращения вала ротора и динамически подключаемых нагрузок;

Кроме вышеперечисленных параметров, генератор конструируется с учётом его работы в условиях критических нагрузок и должен обладать прочным корпусом, иметь при этом малую массу и приемлемые габаритные размеры, обладать невысокими и приемлемым уровнем производимых промышленных радиопомех.

Устройство и конструкция автомобильного генератора

Крепление

Генератор автомобиля можно легко обнаружить в моторном отсеке, подняв крышку капота. Там он закреплён болтами и специальными уголками к фронтальной части двигателя. На корпусе генератора размещены крепёжные лапы и натяжная проушина устройства.

Корпус

В корпусной коробке генератора установлены почти все блоки агрегата. Он производится с применением металлов лёгких сплавов на основе алюминия, который превосходно подходит для выполнения задачи по отводу тепла. Конструкция корпуса представляет собой соединение двух основных частей:

• фронтальной крышки со стороны контактных колец;
• торцевой заглушки со стороны привода;

На фронтальной крышке закреплены щётки, регулятор напряжения и выпрямительный мост. Объединение крышек в единую конструкцию корпуса происходит посредством специальных болтов.

Внутренние поверхности крышек фиксируют внешнюю поверхность статора, закрепляя его положение. Также важными конструктивными узлами корпусной конструкции являются фронтальный и тыловой подшипники, которые обеспечивают должные условия функционирования ротора и закрепляют его на крышке.

Ротор

Конструкция роторного узла состоит из схемы электромагнита с обмоткой возбуждения, смонтированной на несущем валу. Сам вал изготавливается из легированной стали дополненной свинцовыми присадками.

На вал ротора также закреплены медные контактные кольца и специальные подпружиненные щёточные контакты. Контактные кольца отвечают за подачу тока на ротор.

Статор

Статорный узел - это конструкция, состоящая из сердечника с многочисленными пазами (в большинстве используемых случаев их количество равно 36), в которые уложены витки трёх обмоток, имеющих между собой электрический контакт или по схеме «звезда», или по схеме «треугольник». Сердечник, именуемый также магнитопроводом, изготовлен в виде полой сферической окружности из металлических пластин, стянутых между собой заклёпками или заваренных в единый монолитный блок.

Для повышения на статорных обмотках уровня напряжённости магнитного поля в процессе производства этих пластин используется трансформаторное железо с усиленными магнитными параметрами.

Регулятор напряжения

Этот электронный узел разработан для компенсации нестабильности вращения роторного вала, который соединён с коленвалом силового агрегата автомобиля, функционирующего в широком интервале изменения числа оборотов. Регулятор напряжения подключен к графитовым токосъёмникам и способствует стабилизации заданного постоянного выходного напряжения, поступающего в электросеть машины. Этим он гарантирует бесперебойную эксплуатацию электрооборудования.

По своему конструкторскому решению регуляторы подразделяются на две группы:

• дискретные;
• интегральные;

К первому типу относятся электронные блоки, на конструктивной плате которых смонтированы радиоэлементы, разработанные с применением дискретной (корпусной) технологии, отличающейся неоптимальной плотностью компоновки элементов.

Ко второму типу относится большинство современных электронных блоков регулировки напряжения, разработанных с учётом интегрального способа компоновки радиоэлементов, изготовленных на основе тонкоплёночной микроэлектронной технологии.

Выпрямитель

Ввиду того что для правильного функционирования бортовых приборов требуется постоянное напряжение, выход генератора запитывает сеть автомашины через электронный узел, собранный на мощных выпрямительных диодах.

Этот 3-фазный выпрямитель, состоящий из шести полупроводниковых диодов, три из которых подключены на минусовый вывод («массу»), а три других подсоединены к плюсовому контакту генератора, предназначен для трансформации переменного напряжения в постоянное. Физически блок выпрямителя состоит из подковообразного металлического теплоотвода с размещёнными на нём выпрямительными диодами.

Щёточный узел

Этот узел имеет вид пластмассовой конструкции и сконструирован для передачи напряжения на контактные кольца. Содержит внутри корпуса несколько элементов, главные из которых - подпружиненные щёточные скользящие контакты. Они бывают двух модификаций:

• электрографитные;
• меднографитные (более износостойкие).

Конструктивно щёточный узел зачастую изготавливается в одном блоке с регулятором напряжения.

Система охлаждения

Отвод избыточного тепла, которое образуется внутри корпуса генератора, обеспечивают вентиляторы, закреплённые на его валу ротора. Генераторы, у которых щётки, регулятор напряжения и выпрямительный блок вынесены наружу, за пределы его корпуса и защищённые специальным кожухом, забирают свежий воздух через специальные охлаждающие щели в нём.

Устройство классической конструкции, с размещением вышеупомянутых узлов внутри генераторного корпуса, обеспечивают поступление свежего воздушного потока со стороны контактных колец.

Режимы работы

Для уяснения принципа работы автомобильного генератора необходимо представлять и режимы его эксплуатации.

• начальный период запуска двигателя;
• рабочий режим двигателя.

В первоначальный момент запуска двигателя основным и единственным потребителем, расходующим электрическую энергию, является стартёр. Генератор ещё не участвует в процессе выработки энергии, и поступление электроэнергии в этот момент предоставляет только аккумулятор. Ввиду того что сила потребляемого тока при этой схеме очень велика и может достигать сотен ампер, интенсивно расходовать запасённую ранее электрическую энергию.

После окончания процесса запуска двигатель выходит на рабочий режим, а генератор при этом становится полноправным поставщиком электропитания. Он вырабатывает ток, необходимый для функционирования различного электрооборудования, подключающегося в работу. Вместе с этой функцией генератор производит заряд аккумулятора при работающем двигателе.

После набора аккумулятором необходимого , необходимость в процессе подзарядки уменьшается, потребление тока заметно падает, а генератор продолжает поддерживать работу только электрооборудования. По мере подключения в работу других ресурсоёмких потребителей электроэнергии, мощности генератора в отдельные моменты времени может не хватать для обеспечения суммарной нагрузки и тогда в общую работу включается аккумулятор, работа которого в этом режиме характеризуется при этом быстрой потерей заряда.

Заключение

Автомобильный генератор сконструирован и рассчитан на электропитание штатных электроприборов и трансформацией механической энергии коленвала силового агрегата в электрическую.

Генератор располагается под капотом на фронтальной части двигателя. Конструкция генератора содержит в себе основные узлы - корпус, статор, ротор, подшипники, регулятор напряжения, выпрямительный мост, щёточный узел и вентиляторы.

Это такой тип электрической машины, которая способствует преобразованию механической энергии в электрическую. Основано действие генераторов тока по принципу электромагнитной индукции: электродвижущая сила (ЭДС) наводится в движущемся в магнитном поле проводе.

Производить генератор тока может не только постоянный, но и переменный ток. На латыни слово генератор (generator) означает - производитель.

На мировом рынке наиболее известными поставщиками генераторов являются компании: General Electric (GE), ABB, Siemens AG, Mecc Alte.

Генераторы постоянного тока.

Единственным типом источника для получения электроэнергии на протяжении долгого времени были электрические генераторы .

Переменный ток индуктируется в обмотке якоря генератора постоянного тока , затем он электромеханическим выпрямителем - коллектором преобразуется в постоянный ток. Особенно при большой частоте вращения якоря генератора, процесс выпрямления тока коллектором связан с очень частым износом щеток и коллектора.

Различаются генераторы постоянного тока по характеру их возбуждения, они бывают с самовозбуждением и независимого возбуждения. К независимому источнику питания в генераторах с электромагнитным возбуждением подключается обмотка возбуждения, располагающаяся на главных полюсах.

Постоянными магнитами, из которых производятся полюсы машины, возбуждаются генераторы с магнитоэлектрическим возбуждением. Основное применение генераторы постоянного тока находят в тех отраслях промышленности, где постоянный ток является предпочтительным по условиям производства (предприятия электролизной и металлургической промышленности, суда, транспорт и прочие). В качестве источников постоянного тока и возбудителей синхронных генераторов применяются генераторы постоянного тока на электростанциях.

Может достигать до 10 Мегаватт мощность генератора тока .

При достаточно высоком напряжении получать большие токи позволяют генераторы переменного тока . Несколько типов индукционных генераторов различают в настоящее время.

Они состоят из создающего магнитное поле постоянного магнита или электромагнита и обмотки, индуцируется в которой переменная ЭДС. Так как складываются наводимые в последовательно соединенных витках ЭДС, то в рамке индукции амплитуда ЭДС будет пропорциональна количеству в ней витков. Также она пропорциональна через каждый виток амплитуде переменного магнитного потока. В генераторах тока , чтобы получить большой магнитный поток применяется специальная магнитная система, состоящая из двух сердечников, изготовленных из электротехнической стали. В пазах одного из сердечников размещены создающие магнитное поле обмотки, а в пазах второго располагаются обмотки, в которых индуцируется ЭДС. Один из сердечников называется ротором, так как он вращается вокруг вертикальной или горизонтальной оси, вместе со своей обмоткой.

Другой сердечник называется статором - это неподвижный сердечник с его обмоткой. Как можно меньшим делается зазор между сердечниками ротора и статора, наибольшее значение потока магнитной индукции обеспечивается этим. Электромагнит, являющийся ротором вращается в больших промышленных генераторах , а обмотки, уложенные в пазах статора и в которых наводится ЭДС остаются неподвижными.

С помощью скользящих контактов приходится во внешнюю цепь подводить ток к ротору или отводить его из обмотки ротора. Контактными кольцами, которые присоединены к концам его обмотки для этого снабжается ротор. К кольцам прижаты неподвижные пластины-щетки, они осуществляют связь с внешней цепью обмотки ротора. В обмотках создающего магнитное поле электромагнита, сила тока значительно меньше той силы тока, которую отдает генератор тока во внешнюю цепь. Поэтому гораздо удобнее снимать генерируемый ток с неподвижных обмоток, а сравнительно слабый ток подводить через скользящие контакты к вращающемуся электромагниту. Вырабатывается этот ток, расположенным на том же валу отдельным генератором постоянного тока (возбудителем). Вращающимся магнитом создается магнитное поле в маломощных генераторах тока, щетки и кольца в таком случае вообще не требуются.

Бывают двух типов обмотки возбуждения синхронных генераторов: с явнополюсными и неявнополюсными роторами. Выступают из индуктора несущие обмотки возбуждения в генераторах с явнополюсными роторами полюса. На сравнительно низкие частоты вращения рассчитаны генераторы данного типа, они используются для работы с приводом от поршневых паровых машин, гидротурбин, дизельных двигателей. Для привода синхронных генераторов с неявнополюсными роторами применяются газовые и паровые турбины. Стальную поковку с фрезерованными продольными пазами для витков обмотки возбуждения, которые обычно выполнены в виде медных пластин, представляет собой ротор такого генератора. В пазах фиксируются витки, а для снижения потерь мощности и уровня шума, связанных с сопротивлением воздуха шлифуется, а затем полируется поверхность ротора.

По большей части трехфазными делаются обмотки генераторов тока . Подобное сочетание движущихся частей, способных создавать энергию также экономично и непрерывно, встречается в механике редко.

Современный генератор тока является внушительным сооружением, состоящим из медных проводов, стальных конструкций и изоляционных материалов. С точностью до 1 миллиметра изготавливаются важнейшие детали генераторов, которые сами имеют размеры несколько метров.

Генератор тока преобразует механическую (кинетическую) энергию в электроэнергию. В энергетике пользуются только вращающимися электромашинными генераторами, основанными на возникновении электродвижущей силы (ЭДС) в проводнике, на который каким-либо образом действует изменяющееся магнитное поле. Ту часть генератора, которая предназначена для создания магнитного поля, называют индуктором, а часть, в которой индуцируется ЭДС – якорем.

Вращающуюся часть машины называют ротором , а неподвижную часть – статором . В синхронных машинах переменного тока индуктором обычно является ротор, а в машинах постоянного тока – статор. В обоих случаях индуктор представляет собой обычно двух- или многополюсную электромагнитную систему, снабженную обмоткой возбуждения, питаемой постоянным током (током возбуждения), но встречаются и индукторы, состоящие из системы постоянных магнитов. В индукционных (асинхронных) генераторах переменного тока индуктор и якорь не могут четко (конструктивно) различаться друг от друга (можно сказать, что статор и ротор одновременно являются и индуктором и якорем).

Более 95 % электроэнергии на электростанциях мира производится при помощи синхронных генераторов переменного тока . При помощи вращающегося индуктора в этих генераторах создается вращающееся магнитное поле, наводящее в статорной (обычно трехфазной) обмотке переменную ЭДС, частота которой точно соответствует частоте вращения ротора (находится в синхронизме с частотой вращения индуктора). Если индуктор, например, имеет два полюса и вращается с частотой 3000 r/min (50 r/s), то в каждой фазе статорной обмотки индуцируется переменная ЭДС частотой 50 Hz. Конструктивное исполнение такого генератора упрощенно изображено на рис. 1.

Рис. 1. Принцип устройства двухполюсного синхронного генератора. 1 статор (якорь), 2 ротор (индуктор), 3 вал, 4 корпус. U-X, V-Y, W-Z – размещенные в пазах статора части обмоток трех фаз

Магнитная система статора представляет собой спрессованный пакет тонких стальных листов, в пазах которого располагается статорная обмотка. Обмотка состоит из трех фаз, сдвинутых в случае двухполюсной машины друг относительно друга на 1/3 периметра статора; в фазных обмотках индуцируются, следовательно, ЭДС, сдвинутые друг относительно друга на 120o. Обмотка каждой фазы, в свою очередь, состоит из многовитковых катушек, соединенных между собой последовательно или параллельно. Один из наиболее простых вариантов конструктивного исполнения такой трехфазной обмотки двухполюсного генератора упрощенно представлен на рис. 2 (обычно число катушек в каждой фазе больше, чем показано на этом рисунке). Те части катушек, которые находятся вне пазов, на лобовой поверхности статора, называются лобовыми соединениями.

Рис. 2. Простейший принцип устройства статорной обмотки трехфазного двухполюсного синхронного генератора в случае двух катушек в каждой фазе. 1 развертка поверхности магнитной системы статора, 2 катушки обмотки, U, V, W начала фазных обмоток, X, Y, Z концы фазных обмоток

Полюсов индуктора и, в соответствии с этим, полюсных делений статора, может быть и больше двух. Чем медленнее вращается ротор, тем больше должно быть при заданной частоте тока число полюсов. Если, например, ротор вращается с частотой 300 r/min, то число полюсов генератора, для получения частоты переменного тока 50 Hz, должно быть 20. Например, на одной из крупнейших гидроэлектростанций мира, ГЭС Итайпу (Itaipu, см. рис. 4) генераторы, работающие на частоте 50 Hz, исполнены 66-полюсными, а генераторы, работающие на частоте 60 Hz – 78-полюсными.

Обмотка возбуждения двух- или четырехполюсного генератора размещается, как показано на рис. 1, в пазах массивного стального сердечника ротора. Такая конструкция ротора необходима в случае быстроходных генераторов, работающих при частоте вращения в 3000 или 1500 r/min (особенно для турбогенераторов, предназначенных для соединения с паровыми турбинами), так как при такой скорости на обмотку ротора действуют большие центробежные силы. При большем числе полюсов каждый полюс имеет отдельную обмотку возбуждения (рис. 3.12.3). Такой явнополюсный принцип устройства применяется, в частности, в случае тихоходных генераторов, предназначенных для соединения с гидротурбинами (гидрогенераторов), работающих обычно при частоте вращения от 60 r/min до 600 r/min.

Очень часто такие генераторы, в соответствии с конструктивным исполнением мощных гидротурбин, выполняются с вертикальным валом.

Рис. 3. Принцип устройства ротора тихоходного синхронного генератора. 1 полюс, 2 обмотка возбуждения, 3 колесо крепления, 4 вал

Обмотку возбуждения синхронного генератора обычно питают постоянным током от внешнего источника через контактные кольца на валу ротора. Раньше для этого предусматривался специальный генератор постоянного тока (возбудитель), жестко связанный с валом генератора, а в настоящее время используются более простые и дешевые полупроводниковые выпрямители. Встречаются и системы возбуждения, встроенные в ротор, в которых ЭДС индуцируется статорной обмоткой. Если для создания магнитного поля вместо электромагнитной системы использовать постоянные магниты, то источник тока возбуждения отпадает и генератор становится значительно проще и надежнее, но в то же время и дороже. Поэтому постоянные магниты применяются обычно в относительно маломощных генераторах (мощностью до нескольких сотен киловатт).

Конструкция турбогенераторов, благодаря цилиндрическому ротору относительно малого диаметра, очень компактна. Их удельная масса составляет обычно 0,5…1 kg/kW, и их номинальная мощность можеь достигать 1600 MW. Устройство гидрогенераторов несколько сложнее, диаметр ротора велик и удельная масса их поэтому обычно 3,5…6 kg/kW. До настоящего времени они изготовлялись номинальной мощностью до 800 MW.

При работе генератора в нем возникают потери энергии, вызванные активным сопротивлением обмоток (потери в меди), вихревыми токами и гистерезисом в активных частях магнитной системы (потери в стали) и трением в подшипниках вращающихся частей (потери на трение). Несмотря на то, что суммарные потери обычно не превышают 1…2 % мощности генератора, отвод тепла, освобождающегося в результате потерь, может оказаться затруднительным. Если упрощенно считать, что масса генератора пропорциональна его мощности, то его линейные размеры пропорциональны кубическому корню мощности, а поверхностные размеры – мощности в степени 2/3. С увеличением мощности, следовательно, поверхность теплоотвода растет медленнее, чем номинальная мощность генератора. Если при мощностях порядка нескольких сотен киловатт достаточно применять естественное охлаждение, то при бoльших мощностях необходимо перейти на принудительную вентиляцию и, начиная приблизительно со 100 MW, использовать вместо воздуха водород. При еще больших мощностях (например, более 500 MW) необходимо дополнить водородное охлаждение водным. У крупных генераторах надо специально охлаждать и подшипники, обычно используя для этого циркуляцию масла.

Тепловыделение генератора можно значительно уменьшить путем применения сверхпроводящих обмоток возбуждения. Первый такой генератор (мощностью 4 MVA), предназначенный для применения на судах, изготовила в 2005 году немецкая электротехническая фирма Сименс (Siemens AG) . Номинальное напряжение синхронных генераторов, в зависимости от мощности, находится обычно в пределах от 400 V до 24 kV. Использовались и более высокие номинальные напряжения (до 150 kV), но чрезвычайно редко. Кроме синхронных генераторов сетевой частоты (50 Hz или 60 Hz) выпускаются и высокочастотные генераторы (до 30 kHz) и генераторы пониженной частоты (16,67 Hz или 25 Hz), используемые на электрифицированных железных дорогах некоторых европейских стран. К синхронным генераторам относится, в принципе, и синхронный компенсатор, представляющий собой синхронный двигатель, работающий на холостом ходу и отдающий в высоковольтную распределительную сеть реактивную мощность. При помощи такой машины можно покрыть потребление реактивной мощности местных промышленных электропотребителей и освободить основную сеть энергосистемы от передачи реактивной мощности.

Кроме синхронных генераторов относительно редко и при относительно малых мощностях (до нескольких мегаватт) могут использоваться и асинхронные генераторы . В обмотке ротора такого генератора ток индуцируется магнитным полем статора, если ротор вращается быстрее, чем статорное вращающееся магнитное поле сетевой частоты. Необходимость в таких генераторах возникает обычно тогда, когда невозможно обеспечить неизменную скорость вращения первичного двигателя (например, ветряной турбины, некоторых малых гидротурбин и т. п.).

У генератора постоянного тока магнитные полюсы вместе с обмоткой возбуждения располагаются обычно в статоре, а обмотка якоря – в роторе. Так как в обмотке ротора при его вращении индуцируется переменная ЭДС, то якорь необходимо снабжать коллектором (коммутатором), при помощи которого на выходе генератора (на щетках коллектора) получают постоянную ЭДС. В настоящее время генераторы постоянного тока применяются редко, так как постоянный ток проще получать при помощи полупроводниковых выпрямителей.

К электромашинным генераторам относятся и электростатические генераторы , на вращающейся части которых путем трения (трибоэлектрически) создается электрический заряд высокого напряжения. Первый такой генератор (вращаемый вручную серный шар, который электризовался при трении об руку человека) изготовил в 1663 году мэр города Магдебурга (Magdeburg, Германия) Отто фон Гюрике (Otto von Guericke, 1602–1686). В ходе своего развития такие генераторы позволяли открывать многие электрические явления и закономерности. Они и сейчас не потеряли своего значения как средств проведения экспериментальных исследований по физике.

Первый изготовил 4 ноября 1831 года профессор Лондонского Королевского института (Royal Institution) Майкл Фарадей (Michael Faraday, 1791–1867). Генератор состоял из подковообразного постоянного магнита и медного диска, вращающегося между магнитными полюсами (рис. 3.12.4). При вращении диска между его осью и краем индуцировалась постоянная ЭДС. По такому же принципу устроены более совершенные униполярные генераторы, находящие применение (хотя относительно редко) и в настоящее время.

Рис. 4. Принцип устройства униполярного генератора Майкла Фарадея. 1 магнит, 2 вращающийся медный диск, 3 щетки. Рукоятка диска не показана

Майкл Фарадей родился в бедной семье и после начальной школы, в возрасте 13 лет, поступил учеником переплетчика книг. По книгам он самостоятельно продолжал свое образование, а по Британской энциклопедии ознакомился с электричеством, изготовил электростатический генератор и лейденскую банку. Для расширения своих знаний он начал посещать публичные лекции по химии директора Королевского института Гемфри Дэви (Humphrey Davy, 1778–1829), а в 1813 году получил должность его ассистента. В 1821 году он стал главным инспектором этого института, в 1824 году – членом Королевского общества (Royal Society) и в 1827 году – профессором химии Королевского института. В 1821 году он начал свои знаменитые опыты по электричеству, в ходе которых предложил принцип действия электродвигателя, открыл явление электромагнитной индукции, принцип устройства магнитоэлектрического генератора, закономерности электролиза и много других основополагающих физических явлений. Спустя год после вышеописанного опыта Фарадея, 3 сентября 1832 года, парижский механик Ипполит Пикси (Hippolyte Pixii, 1808–1835) изготовил по заказу и под руководством основоположника электродинамики Андре Мари Ампера (Andre Marie Ampere, 1775–1836) генератор с вращаемым вручную, как у Фарадея, магнитом (рис. 5). В якорной обмотке генератора Пикси индуцируется переменная ЭДС. Для выпрямления получаемого тока к генератору вначале пристроили открытый ртутный коммутатор, переключающий полярность ЭДС при каждом полуобороте ротора, но вскоре он был заменен более простым и безопасным цилиндрическим щеточным коллектором, изображенным на рис. 5.

Рис. 5. Принцип устройства магнитоэлектрического генератора Ипполита Пикси (a), график индуцируемой ЭДС (b) и график получаемой при помощи коллектора пульсирующей постоянной ЭДС (c). Рукоятка и конусная зубчатая передача не показаны

Генератор, построенный по принципу Пикси, впервые применил в 1842 году на своем заводе в Бирмингеме (Birmingham) для электропитания гальванических ванн английский промышленник Джон Стивен Вульрич (John Stephen Woolrich, 1790–1843), использовав в качестве приводного двигателя паровую машину мощностью 1 л. с. Напряжение его генератора составляло 3 V, номинальный ток – 25 A и кпд – около 10 %. Такие же, но более мощные генераторы быстро начали внедряться и на других гальванических предприятиях Европы. В 1851 году немецкий военный врач Вильгельм Йозеф Зинштеден (Wilhelm Josef Sinsteden, 1803–1891) предложил использовать в индукторе вместо постоянных магнитов электромагниты и питать их током от меньшего вспомогательного генератора; он же обнаружил, что кпд генератора увеличится, если стальной сердечник электромагнита изготовить не массивным, а из параллельных проволок. Однако идеи Зинштедена стал реально использовать только в 1863 году английский электротехник-самоучка Генри Уайльд (Henry Wilde, 1833–1919), который предложил, среди прочих нововведении, насадить машину-возбудитель (англ. exitatrice) на вал генератора. В 1865 году он изготовил генератор невиданной доселе мощности в 1 kW, при помощи которого он мог демонстрировать даже плавку и сварку металлов.

Важнейшим усовершенствованием генераторов постоянного тока стало их самовозбуждение , принцип которого запатентовал в 1854 году главный инженер государственных железных дорог Дании Сёрен Хьёрт (Soren Hjorth, 1801–1870), но не нашедшее в то время практического применения. В 1866 году этот принцип снова открыли независимо друг от друга несколько электротехников, в том числе уже упомянутый Г. Уайльд, но широко известным он стал в декабре 1866 года, когда немецкий промышленник Эрнст Вернер фон Сименс (Ernst Werner von Siemens, 1816–1892) применил его в своем компактном и высокоэффективном генераторе. 17 января 1867 года в Берлинской академии наук был прочитан его знаменитый доклад о динамоэлектрическом принципе (о самовозбуждении). Самовозбуждение позволило отказатьса от вспомогательных генераторов возбуждения (от возбудителей), что обусловило возможность выработки намного более дешевой электроэнергии в больших количествах. По этой причине год 1866 часто считают годом зарождения электротехники сильного тока. В первых самовозбуждающихся генераторах обмотку возбуждения включали, как у Сименса, последовательно (сериесно) с якорной обмоткой, но в феврале 1867 года английский электротехник Чарлз Уитстон (Charles Wheatstone, 1802–1875) предложил параллельное возбуждение, позволяющее лучше регулировать ЭДС генератора, к которому он пришел еще до сообщений о последовательном возбуждении, открытом Сименсом (рис. 6).

Рис. 6. Развитие систем возбуждения генераторов постоянного тока. a возбуждение при помощи постоянных магнитов (1831), b внешнее возбуждение (1851), c последовательное самовозбуждение (1866), d параллельное самовозбуждение (1867). 1 якорь, 2 обмотка возбуждения. Регулировочные реостаты тока возбуждения не показаны

Необходимость в генераторах переменного тока возникла в 1876 году, когда работающий в Париже русский электротехник Павел Яблочков (1847–1894) стал освещать городские улицы при помощи изготовляемых им дуговых ламп переменного тока (свечей Яблочкова). Первые необходимые для этого генераторы создал парижский изобретатель и промышленник Зеноб Теофиль Грамм (Zenobe Theophile Gramme, 1826–1901). С началом массового производства ламп накаливания в 1879 году переменный ток на некоторое время потерял свое значение, но снова обрел актуальность в связи с ростом дальности передачи электроэнергии в середине 1880-х годов. В 1888–1890 годах владелец собственной научно-исследовательской лаборатории Тесла-Электрик (Tesla-Electric Co., Нью-Йорк, США) эмигрировавший в США сербский электротехник Никола Тесла (Nikola Tesla, 1856–1943) и главный инженер фирмы АЭГ (AEG, Allgemeine Elektricitats-Gesellschaft) эмигрировавший в Германию русский электротехник Михаил Доливо-Добровольский (1862–1919) разработали трехфазную систему переменного тока. В результате началось производство все более мощных синхронных генераторов для сооружаемых тепло- и гидроэлектростанций.

Важным этапом в развитии турбогенераторов может считаться разработка в 1898 году цилиндрического ротора совладельцем швейцарского электротехнического завода Браун, Бовери и компания (Brown, Boveri & Cie., BBC) Чарлзом Эженом Ланселотом Брауном (Charles Eugen Lancelot Brown, 1863–1924). Первый генератор с водородным охлаждением (мощностью 25 MW) выпустила в 1937 году американская фирма Дженерал Электрик (General Electric), а с внутрипроводным водяным охлаждением – в 1956 году английская фирма Метрополитен Виккерс (Metropolitan Vickers).

Как известно, при прохождении тока через проводник (катушку) образуется магнитное поле. И, наоборот, при движении проводника вверх-вниз через линии магнитного поля возникает электродвижущая сила. Если движение проводника медленное, то соответственно возникающий электрический ток будет слабым. Значение тока прямо пропорционально напряженности магнитного поля, числу проводников, и соответственно скорости их движения.

Простейший генератор тока состоит из катушки, изготовленной в виде барабана, на которую намотана проволока. Катушка крепится на валу. Барабан с проволочной обмоткой еще называют якорем.

Для снятия тока с катушки, конец каждого провода припаивается к токособирающим щеткам. Эти щетки должны быть полностью изолированы друг от друга.

Генератор переменного тока

При вращении якоря вокруг своей оси происходит изменение электродвижущей силы. Когда виток поворачивается на девяносто градусов сила тока максимальная. При следующем повороте падает к значению нуля.

Полный оборот витка в генераторе тока создает период тока или, другими словами, переменный ток.

Для получения постоянного тока используется переключатель. Он представляет собой разрезанное кольцо на две части, каждая из которых присоединена к разным виткам якоря. При правильной установке половинок кольца и токособирающих щеток, за каждый период изменения силы тока в устройстве, во внешнюю среду будет поступать постоянный ток.

Крупный промышленный генератор тока имеет неподвижный якорь, именуемый статором. Внутри статора вращается ротор, создающий магнитное поле.

Обязательно прочитайте статьи про автомобильные генераторы:

В любом автомобиле есть генератор тока, работающий при движении машины для питания электрической энергией аккумулятора, систем зажигания, фар, радиоприемника и т.д. Обмотка возбуждения ротора является источником магнитного поля. Для того чтобы магнитный поток обмотки возбуждения подводился без потерь к обмотке статора, катушки помещают в специальные пазы стальной конструкции.

На практике используется несколько видов генераторов. Но каждый из них включает в себя одни и те же составные элементы. К ним относятся магнит, который создает соответствующее поле, и специальная проволочная обмотка, где создается электродвижущая сила (ЭДС). В простейшей модели генератора роль обмотки выполняет рамка, способная вращаться вокруг горизонтальной или вертикальной оси. Амплитуда ЭДС пропорциональна количеству витков, имеющихся на обмотке, и размаху колебаний магнитного потока.

Чтобы получить значительный по силе магнитный поток, в генераторах используют особую систему. Она состоит из пары стальных сердечников. Обмотки, которые создают переменное магнитное поле, помещают в пазы первого из них. Те витки, которые индуцируют ЭДС, укладывают в пазы второго сердечника.

Внутренний сердечник называют ротором. Он вращается вокруг оси вместе с имеющейся на нем обмоткой. Тот сердечник, который остается без движения, выполняет функцию статора. Чтобы сделать поток магнитной индукции наиболее сильным, а потери энергии минимальными, расстояние между статором и ротором стараются сделать как можно меньше.

По какому принципу работает генератор

Электродвижущая сила возникает в обмотках статора сразу после появления электрического поля, для которого характерны вихревые образования. Эти процессы порождаются изменением магнитного потока, которое наблюдается при ускоренном вращении ротора.

Ток от ротора подается в электрическую цепь при помощи контактов, имеющих вид элементов скольжения. Чтобы сделать это было легче, к концам обмотки присоединяют кольца, называемые контактными. К кольцам прижимаются неподвижные щетки, через которые и осуществляется связь между электрической цепью и обмоткой движущегося ротора.

В витках обмотки магнита, где создается магнитное поле, ток имеет сравнительно небольшую силу, если сравнивать его с тем током, который генератор отдает внешней цепи. По этой причине уже конструкторы первых генераторов решили отводить ток от обмоток, расположенных статично, а слабый ток к вращающемуся магниту подавать через контакты, обеспечивающие скольжение. В генераторах малой мощности поле создает магнит постоянного типа, который способен вращаться. Такая конструкция позволяет упростить всю систему и вовсе не использовать кольца и щетки.

Современный промышленный генератор электрического тока представляет собой массивное и громоздкое сооружение, которое состоит из металлических конструкций, изоляторов и медных жил. Размеры устройства могут составлять несколько метров. Но даже для такого солидного сооружения очень важно выдержать точные габариты деталей и зазоры между подвижными частями электрической машины.