Трехфазный генератор – принцип работы и его устройство
Тот, кто незнаком с генераторами, объясняем, что это агрегат, в котором из одного вида энергии получается другая. А, точнее, из механической электрическая. При этом эти приборы могут генерировать как ток постоянный, так и ток переменный. До середины двадцатого века использовались в основном генераторы постоянного тока. Это были аппараты больших размеров, которые работали не очень хорошо. Появление на рынке диодов полупроводникового типа позволило изобрести трехфазный генератор переменного тока. Именно диоды позволяют выпрямить переменный ток.
Принцип работы
В основе работы трехфазного генератора лежит закон Фарадея – закон электромагнитной индукции, который гласит, что электродвижущая сила будет обязательно индуцироваться во вращающейся прямоугольной рамке, которая установлена между двумя магнитами. При этом делается оговорка, что магниты будут создавать вращающееся магнитное поле. Направление вращения и рамки, и магнитного поля обязательно совпадают. Но электродвижущая сила будет возникать и в том случае, если рамка останется неподвижной, а внутри нее вращать магнит.
Чтобы разобраться, как работает генератор, обратите внимание на рисунок ниже. Это простейшая схема его работы.
Здесь хорошо видны магниты с разными полюсами, рамка, вал и токосъемные кольца, с помощью которых производится отвод тока.
Конечно, это просто схема, хотя лабораторные генераторы так и создавались. На практике же обычные магниты заменяют электромагнитами. Последние – это медная обмотка или катушки индуктивности. Когда по ним проходит электрический ток, образуется необходимое магнитное поле. Такие генераторы установлены во всех автомобилях (это для примера), чтобы их запустить, под капотом устанавливается аккумулятор, то есть, источник постоянного тока. Некоторые модели генераторов запускаются по принципу самовозбуждения или при помощи маломощных генераторов.
Схемa генерaторa переменного токa
Разновидности
В основе классификации заложен принцип действия, поэтому эти агрегаты переменного тока делятся на два класса:
Конечно, в данном разделении лежит принцип работы агрегата. Но есть и другие критерии.
Устройство трехфазного генератора
В принципе, устройство трехфазного генератора переменного тока достаточно простое. Это корпус с двумя крышками с противоположных сторон. В каждой из них проделаны отверстия для вентиляции. В крышках устроены ниши под подшипники, в которых вращается вал. На передний конец вала устанавливается передаточный элемент. К примеру, на автомобильном генераторе установлен шкив, с помощью которого вращение передается от двигателя внутреннего сгорания на генератор. На противоположном конце вала производится передача электрического тока, ведь вал в этом случае выступает как электромагнит с одной обмоткой.
Передача производится через графитовые щетки и токосъемные кольца (они из меди). Щетки соединены с электрорегулятором (по сути, это обычное реле), который регулирует подачу напряжение 12 вольт с требуемыми отклонениями. Самое важное, что реле не повышает и не понижает напряжение в зависимости от скорости вращения самого вала.
Так вот если говорить о трехфазных генераторах переменного тока, то это три вот таких однофазных. Только трехфазный агрегат имеет обмотку не на роторе (валу), а в статоре. И таких обмоток три, которые сдвинуты относительно друг друга по фазе. Вал, как и в первой конструкции, выполняет функции электромагнита, который питается через контакты скользящего типа постоянным током.
Вращение вала создает в обмотках магнитное поле. Электродвижущая сила начинает индуцироваться, когда происходит пересечение магнитного поля обмоток с ротором. А так как обмотки располагаются на статоре симметрично, то есть, через каждые 120º, то соответственно и электродвижущая сила будет иметь одинаковое амплитудное значение.
В чем разница между генераторами с 1 и 3 фазами? Какой вариант выбрать?
Главное различие между однофазными и трехфазными генераторами заключается в величине выдаваемого напряжения. В то время как к первым можно подключать только электроприборы с напряжением 220 В, вторые при соблюдении правил подключения способны обеспечить питание устройств, рассчитанных как на 220, так и на 380 вольт.
В чем же отличие между однофазным и трехфазным генератором? В действительности все просто. Достаточно понять, для чего предназначены установки, в зависимости от количества генерируемых фаз. К примеру, однофазный генератор переменного тока предназначен для обеспечения энергией однофазных потребителей (приборов). К этой группе относятся практически все бытовые приборы, которые мы привыкли использовать у себя дома. Исключение могут составлять только мощные двигатели старого образца, тены в сауне и т.д.
Важным условием подключения приборов с 1 фазой к приборам с 3 фазами является принцип равномерного распределения фаз, т.е. величины потребляемых мощностей, приходящиеся на каждую из них, должны быть приблизительно равны. Разница не должна превышать 20%, иначе это приведет к выходу генератора из строя. Помимо этого, необходимо помнить, что суммарная нагрузка от потребителей такой сети не может превышать 1/3 номинальной мощности устройства.
Учитывая сложности подключения и контроля за распределением электрической нагрузки, в бытовых условиях и в сетях с энергопотреблением менее 20 кВт использование трехфазных электрогенераторов нецелесообразно. Большинство современных бытовых электроустройств рассчитано на напряжение 220 В, поэтому, если не планируется расширение сети с использованием более мощных приборов, однофазные электростанции в полной мере справятся с возложенной на них задачей.
Подведем промежуточный итог:
Нестандартные ситуации
Не исключена ситуация, когда ваш дом, согласно проекта, имеет трехфазный ввод, но в нем нет ни одного трехфазного потребителя. Как поступить в такой ситуации, и какой генератор лучше устанавливать? Вариантов решения может быть два:
Чем отличается трехфазный генератор от однофазного?
Особенности трехфазных генераторов
Чтобы ответить на вопрос в заголовке статьи заглянем для наглядности в курс физики и посмотрим чем отличается однофазный ток от трехфазного.
Небольшой экскурс в физику
Однофазное напряжение
Все мы знаем розетки в квартире, них имеется напряжение 220 Вольт. Мы знаем, что к розетке можно подключить любой электроприбор. И мы знаем, что классическая вилка в розетке имеет 2 контакта.
Если следовать логике, получается, что электросеть напряжением 220 Вольт подается к вам (т.е. к потребителю) по двум проводам. Такой тип напряжения называется однофазным.
Один из проводов называется нулевым, второй – фазным. На нулевом проводе всегда нулевой потенциал напряжения и он заземляется на подстанции. На фазном проводе (относительно нулевого) течет переменное напряжение, которое имеет синусоидальный вид: синусоида амплитуды поднимается до величины +220 Вольт, а потом опускается до величины –220 Вольт. Частота повторений колебаний – 50 Гц (т.е. 50 раз в секунду меняется синусоида).
Трехфазное напряжение
С трехфазным напряжением несколько сложнее. Возможно, вы не представляете себе, что это такое, поскольку обычный человек практически не сталкивается с таковым. Трехфазный ток используется в основном в производственных нуждах, для подключения мощных агрегатов, но, например, некоторые специфические приборы, используемые при строительстве или бытовые (такие как 3-фазная электроплита или 3-фазный компрессор), также могут запитываться от трехфазной сети.
Трехфазное напряжение – это электросеть с напряжением 380 Вольт. Напряжение к потребителю подается по четырем проводам. Трехфазная вилка (в отличии от однофазной) имеет четыре контакта.
Один из проводов называется нулевым, остальные три – фазными. На нулевом проводе у нас нулевой потенциал (провод заземлен). Каждый из трех фазный провод (вместе с нулевым) образует пару, и в этой паре проводов мы увидим такую же картину, что происходит с однофазным напряжением – та же синусоида, те же частота колебаний. Таким образом у нас получается система из трех однофазных токов связанных в единое целое (нулевым проводником). Но в каждой паре проводов синусоида напряжения сдвинута по времени на 1/3 (на 120 градусов) относительно любой другой пары. Такое смещение еще называют сдвигом по фазе. Это хорошо иллюстрирует картинка, где синусоиды каждой фазы наложены друг на друга.
Надеемся, теперь вы поняли принципиальную разницу между однофазным и трехфазным током.
Теперь перейдем к генераторам…
В чем же отличие между однофазным и трехфазным генератором?
Однофазные генераторы
Однофазные генераторы используются для питания только однофазных приборов и оборудования, которые для своей работы нуждаются в напряжении 220 Вольт. Это как раз все бытовые приборы и инструменты, которые окружают нас в быту. На приборной панели таких генераторов имеется одна или несколько розеток на 220 Вольт.
Все однофазные генераторы оснащены розетками на 220 Вольт / 16А, которые используются для подключения обычных приборов. Некоторые генераторы оснащены силовыми розетками 220 Вольт / 32А для подключения мощных потребителей (см. фото).
В подавляющем большинстве случаев для пользования в быту вам подойдет однофазный генератор (если вы не планируете подсоединять каких-либо трехфазных потребителей).
Трехфазные генераторы
Трехфазные генераторы могут быть использованы для питания как трехфазных, с напряжением питания 380 Вольт, так и однофазных приборов и оборудования. На приборной панели таких генераторов имеются розетки и на 380 Вольт и на 220 Вольт (см. фото). Такие электрогенераторы используются очень широко в промышленных целях, на предприятиях, на стройках и т.д.
Подключение трехфазных генераторов к однофазным потребителям
Казалось бы, как хорошо: можно приобрести трехфазный генератор (с заделом на то, что в будущем возможно понадобиться подключать трехфазных потребителей) и запитывать им, допустим, свой загородный дом. Но не все так просто.
Важным условием подключения однофазных приборов к трехфазному генератору является равномерное распределение нагрузки между тремя фазами, т.е. величины потребляемых мощностей, приходящиеся на каждую из фаз, должны быть приблизительно равны. Разница не должна превышать 25%. Иначе это может привести к такому явлению, как «перекос фаз», что может стать причиной преждевременного выхода электростанции из строя.
Учитывая сложности подключения и контроля за распределением электрической нагрузки, в бытовых условиях и в сетях с энергопотреблением менее 20 кВт использование трехфазных электрогенераторов нецелесообразно. Большинство современных бытовых устройств рассчитано на напряжение 220 Вольт, поэтому, если не планируется расширение сети, однофазные электростанции в полной мере справятся с возложенной на них задачей.
Мощность однофазных и трехфазных генераторов
Если с однофазным генератором все просто, есть выходное напряжение (220 Вольт) и есть мощность, которая соответствует паспорту изделия, то с трехфазными посложнее.
Номинальная мощность трехфазного генератора – это сумма мощностей, развиваемых в каждой фазе. Т.е. три фазы как бы делят общую мощность между собой. Соответственно, мощность, развиваемая в каждой фазе равна 1/3 номинальной мощности устройства, а это значит, что максимальная мощность однофазных потребителей, подключаемых к трехфазному генератору, может составить лишь 1/3 номинальной мощности устройства.
Поясним примером. Возьмем трехфазную электростанцию с номинальной мощностью 6 кВт. Согласно вышесказанному, к ней нельзя будет подключить однофазное оборудование мощностью 6 кВт, но возможно подключить 3-х однофазных потребителей с мощностью по 2 кВт. Причем, важно соблюдать равномерность нагрузки по фазам, не допуская перекоса фаз.
Трехфазные генераторы с полной мощностью по фазам
В ряде случаев к генератору необходимо подключать как трехфазное, так и однофазное мощное оборудование, или однофазное с большими пусковыми токами. Такие задачи обычно возникают на стройке. Раз полноценно пользоваться традиционным трехфазным генератором для подключения однофазных приборов нельзя, то напрашивается вопрос: «Как быть? Покупать два генератора: однофазный и трехфазный?»
Но решение есть – на рынке имеется ряд моделей генераторов, способных обеспечить одинаковую мощность как для одной, так и для трех фаз. Альтернаторы этих моделей способны работать как в одно-, так и в трехфазных режимах без потери выходной мощности. Выбор режима работы осуществляется переключателем на приборной панели.
Т.е., допустим мы имеем трехфазную электростанцию с полной мощностью по фазам номинальной мощностью 6 кВт. И к ней можно будет подключить как трехфазное, так и однофазное оборудование мощностью 6 кВт. Такие генераторы не имеют ограничений по подключению однофазных потребителей, присущим традиционным трехфазным генераторам.
На нашем сайте вы можете ознакомится и приобрести трехфазные генераторы с полной мощностью по фазам:
Трехфазный генератор: общее устройство, принцип действия, симметричная система фазных ЭДС
Структура трехфазной цепи
Трехфазными генераторами называются генераторы переменного тока, одновременно вырабатывающие несколько ЭДС одинаковой частоты, но с различными начальными фазами. Совокупность таких ЭДС называется трехфазной системой ЭДС.
Многофазными цепями называются цепи переменного тока, в которых действуют многофазные системы ЭДС. Любая из цепей многофазной системы, где действует одна ЭДС, называется фазой.
Трехфазные системы имеют ряд преимуществ перед другими системами (однофазными и многофазными):
— они позволяют легко получить вращающееся магнитное поле (на этом основан принцип работы разных двигателей переменного тока).
— трехфазные системы наиболее экономичны, имеют высокий КПД.
— конструкция трехфазных двигателей, генераторов и трансформаторов наиболее проста, что обеспечивает их высокую надежность.
— один трехфазный генератор позволяет получать два различных (по величине) напряжения.
Современные электрические системы, состоящие из генераторов, электростанций, трансформаторов, линий передачи электроэнергии и распределительных сетей, представляют собой трехфазные системы переменного тока.
Трехфазная цепь включает в себя источник (генератор) трехфазной ЭДС, проводники, потребители (приемники) трехфазной электрической энергии.
Рассмотрим устройство трехфазного генератора переменного тока
Ротор генератора выполняется в виде вращающегося постоянного магнита или электромагнита, питаемого через скользящие контакты постоянным током.
Если ЭДС фазы принять за исходную и считать ее начальную фазу равной нулю, то при вращении ротора с угловой скоростью против часовой стрелки выражения для мгновенных значений ЭДС можно записать следующим образом:
Переходя к комплексам действующих значений, получим:
Подобные системы ЭДС принято называть симметричными. Векторная диаграмма трехфазной симметричной системы ЭДС представляет собой симметричную трехлучевую звезду. Из векторной диаграммы следует, что
Если отдельные фазные обмотки генератора не соединены между собой электрически, то такую цепь называют несвязанной. По сути дела несвязанная трехфазная цепь состоит из трех независимых однофазных цепей. В противном случае трехфазная цепь называется связанной. Наибольшее распространение получили связанные трехфазные цепи, как наиболее экономичные, имеющие минимальное число проводов. При нормальном режиме работы трехфазных установок последовательность фаз принимается прямая.
Принцип действия синхронного трёхфазного генератора
Именно этот агрегат отвечает за работоспособность солнечных батарей, электростатических машин, а также гальванических элементов.
Вмонтированный крутящийся электромагнит способен создавать магнитный поток, перемещающийся через три фазы обмотки используемого статора. В результате можно добиться того, что в пазах будет происходить переменная ЭДС однотипной частоты. Любой сдвиг фаз осуществляется под определённым углом, который равен одной трети вращения магнитных полей.
Сами производители отмечают тот факт, что генератор оборудован таким образом, чтобы якорь выступал в качестве мощного электромагнита. Если вал вращается от турбины, тогда в систему поступает электроэнергия, а обмотка ротора питается именно этим током. Во время такого взаимодействия якорь становится своеобразным электрическим магнитом, который крутится вместе с валом. Именно синхронные трёхфазные турбо- и гидрогенераторы производят больше всего полезной энергии.
Помимо этого, такие агрегаты успешно используются многими специалистами в качестве электромоторов для установок, где уровень мощности превышает отметку 50 кВт. Когда синхронный аппарат работает, то в графике двигателя источник постоянного тока соединяют с ротором, а вот статор подсоединяют к трёхфазному кабелю.
Разнообразие модельного ряда
Большим спросом сегодня пользуются следующие виды генераторов:
Устройство синхронного генератора
Качественный статор имеет аналогичный принцип действия с асинхронником.
Его корпус собирается из отдельных пластин электротехнической стали, все детали разделены специальными изолирующими слоями. Обмотка переменного тока располагается в специальных пазах. Вся проводка обмоток изолируется и фиксируется, что особенно важно для безопасной работы, ведь этот раздел отвечает за подключение нагрузки.
Для тихоходных машин с гидравлическими турбинами изготавливаются высококачественные генераторы выступающего типа. А вот для тех узлов, которые функционируют по принципу скоростного вращения с переменным током, больше всего подходят прочные неявно выраженные полюса. Чтобы агрегат служил как можно дольше, нужно использовать правильное охлаждение. Чаще всего на вал монтируются специальные крыльчатки, которые регулируют уровень температуры ротора с обеих сторон. Весь воздух обязательно подлежит предварительной фильтрации. Если система относится к замкнутому типу, то через теплообменники проходит один и тот же воздух.
Отдельно стоит учесть, что для быстрого и своевременного охлаждения системы желательно использовать водород, который в 14,5 раз легче, нежели воздух. А вот принцип его эксплуатации самый простой.
Составляющие части прибора:
Для того, чтобы получить наибольший магнитный поток, во всех агрегатах предусмотрено наличие специализированной структуры, которая включает в себя два стальных сердечника. Рабочие обмотки установлены в специальные пазы. Один вмонтированный сердечник — внутренний, он крутится вокруг вертикального или же горизонтального стержня, который принято называть ротором. А вот недвижимый сердечник именуется якорем (статором).
Функциональные отличия агрегата
Комплектующие элементы
Синхронный генератор может использоваться в качестве мотора и генератора. Его функциональные возможности позволяют быстро переходить от графика двигателя к графику работы генератораВ графике двигателя в систему входит электрическая энергия, а выходит механическая.
Устройство синхронного генератора включает в себя следующие элементы:
Трёхфазный генератор входит в состав цепи переменного тока нелинейных сопротивлений.
Принцип работы
Неправильно настроенное оборудование не сможет слаженно работать в течение длительного промежутка времени, преждевременные поломки могут возникнуть на фоне появления всевозможных перегрузок, из-за некачественного возбуждения сети, а также частых переходов в асинхронные режимы. Последний фактор чаще всего возникает по причине каких-либо отклонений в сети: нагрузки переменного типа, короткие замыкания, неравномерная загрузка фаз.
Стоит отметить, что стабильная работа генератора зависит и от качества подключённой сети, где любое нарушение функционирования отдельно взятых потребителей чревато несимметричностью и искажением сигнала. В такой ситуации может перегреваться как сама конструкция агрегата, так и его обмотка. Наличие мощных преобразователей и выпрямителей чревато искажением синусоида.
Чтобы устройство правильно функционировало, нужно обеспечить ему правильное охлаждение. Если затраты воды достигают отметки 75% от номинала, тогда срабатывает предупредительная сигнализация. Когда расход охладителя находится в пределах 50%, система разгружается за две минуты. Этот вид генератора работает по принципу электромагнитной индукции. Якорная катушка находится в разомкнутом положении только на холостом ходу, из-за чего необходимое магнитное поле формирует исключительно обмотка ротора. Когда этот элемент крутится от проводного мотора, то у него наблюдается постоянная частота.
Первоначальное магнитное поле формируется за счёт обмотки возбуждения, а в катушку якоря поступает электрическая движущая сила. Если же якорь начал двигаться только благодаря вращению с определённой скоростью, то весь поток возбуждения переходит через проводники статорных катушек. В итоге происходит индицирование переменных ЭДС.
Используемые структуры возбуждения
Все крупные производители изготавливают генераторы, моторы и синхронные компрессоры, которые оснащены инновационными полупроводниковыми структурами, такими как возбуждение трёхфазных агрегатов. В таких ситуациях используется беспроигрышный метод выпрямления переменных токов.
Параметры функционирования:
Сферы применения
Многофункциональные трёхфазные двигатели используются в различной технике. Такие агрегаты обладают необходимой простотой и надёжностью конструкции, доступной ценой. Генератор не нуждается в особом уходе, быстро приступает к работе и хорошо переносит длительные нагрузки. Качественное энергоснабжение осуществляется именно по трёхфазной системе переменного тока, так как любое использование двигателей с постоянным током требует установки дополнительных агрегатов.
Трёхфазные генераторы считаются незаменимыми в приводах сверлильных и токарных станков, пилорамах и циркуляционных пилах, лифтах, лебёдках и подъёмных кранах.
Он широко востребован и в сельскохозяйственной отрасли, где основную работу выполняют барабанные молотилки, веялки, зернопульты, погрузчики.
Синхронные установки используются как основной источник электроэнергии переменного тока на крупнейших станциях, на передвижных агрегатах и транспортных машинах (тепловозы, машины, самолёты). Генератор может функционировать как автономно, так и параллельно с сетью.
Конструкторы утверждают, что без такого оборудования не могут обойтись те станции, где отсутствует центральная подача электроэнергии. Особенно это касается крупных фермерских хозяйств, которые возведены вдали от населённых пунктов.
Устройство автомобильного генератора и его проверка
Требования, предъявляемые к генератору:
— выходные параметры генератора должны быть таковы, чтобы в любых режимах движения автомобиля не происходил прогрессивный разряд аккумуляторной батареи;
— напряжение в бортовой сети автомобиля, питаемой генератором, должно быть стабильно в широком диапазоне изменения частоты вращения и нагрузок.
Последнее требование вызвано тем, что аккумуляторная батарея весьма чувствительна к степени стабильности напряжения. Слишком низкое напряжение вызывает недозаряд батареи и, как следствие, затруднения с пуском двигателя. Слишком высокое напряжение приводит к перезаряду батареи и ускоренному выходу ее из строя.
Принцип работы генератора и его принципиальное конструктивное устройство одинаковы для всех автомобилей. Отличаются только качеством изготовления, габаритами и расположением присоединительных узлов.
Основные части генератора
1. Шкив – служит для передачи механической энергии от двигателя к валу генератора посредством ремня;
2. Корпус генератора состоит из двух крышек: передняя (со стороны шкива) и задняя (со стороны контактных колец), предназначены для крепления статора, установки генератора на двигателе и размещения подшипников (опор) ротора. На задней крышке размещаются выпрямитель, щеточный узел, регулятор напряжения (если он встроенный) и внешние выводы для подключения к системе электрооборудования;
3. Ротор — стальной вал с расположенными на нем двумя стальными втулками кпювообразной формы. Между ними находится обмотка возбуждения, выводы которой соединены с контактными кольцами. Генераторы оборудованы преимущественно цилиндрическими медными контактными кольцами;
4. Статор — пакет, набранный из стальных листов, имеющий форму трубы. В его пазах расположена трехфазная обмотка, в которой вырабатывается мощность генератора;
5. Сборка с выпрямительными диодами — объединяет шесть мощных диодов, запрессованных по три в положительный и отрицательный теплоотводы;
6. Регулятор напряжения — устройство, поддерживающее напряжение бортовой сети автомобиля в заданных пределах при изменении электрической нагрузки, частоты вращения ротора генератора и температуры окружающей среды;
7. Щеточный узел – съемная пластмассовая конструкция. В ней установлены подпружиненные щетки, контактирующие с кольцами ротора;8. Защитная крышка диодного модуля.
D+ Питание обмотки возбуждения, опорное напряжение для регулятора напряжения.
В основе работы генератора лежит эффект электромагнитной индукции. Если катушку из медного провода, пронизывает магнитный поток, то при его изменении на выводах катушки появляется электрическое напряжение, пропорциональное скорости изменения магнитного потока. И наоборот, для образования магнитного потока достаточно пропустить через катушку электрический ток. Таким образом, для получения переменного электрического тока требуются источник переменного магнитного поля и катушка, с которой непосредственно будет сниматься переменное напряжение.
Обмотка возбуждения с полюсной системой, валом и контактными кольцами образуют ротор, его важнейшую вращающуюся часть, которая и является источником переменного магнитного поля.
Ротор генератора
3. обмотка возбуждения;
4. контактные кольца.
Полюсная система ротора имеет остаточный магнитный поток, который присутствует даже при отсутствии тока в обмотке возбуждения.
Для первоначального намагничивания ротора через его обмотку пропускают небольшой ток от аккумуляторной батареи, обычно через лампу контроля работоспособности генератора. Сила этого тока не должна быть слишком большой, чтобы не разряжать аккумуляторную батарею, но и не слишком малой, чтобы генератор мог возбудиться уже на холостых оборотах двигателя. Исходя из этих соображений, мощность контрольной лампы обычно составляет 2…3 Вт. После того, как напряжение на обмотках статора достигает рабочей величины, лампа тухнет, и питание обмотки возбуждения осуществляется от самого генератора. В этом случае генератор работает на самовозбуждении.
Выходное напряжение снимается с обмоток статора. При вращении ротора напротив катушек обмотки статора появляются попеременно «северный» и «южный» полюсы ротора, т. е. направление магнитного потока, пронизывающего катушку статора, меняется, что и вызывает появление в ней переменного напряжения. Частота этого напряжения зависит от частоты вращения ротора генератора и числа его пар полюсов.
Статор генератора
Обмотка статора трехфазная. Она состоит из трех отдельных обмоток, называемых обмотками фаз или просто фазами, намотанных по определенной технологии на магнитопровод. Напряжение и токи в обмотках смещены друг относительно друга на треть периода, т.е. на 120 электрических градусов, как это показано на рисунке.
Осциллограммы фазовых напряжений обмоток:
U1, U2, U3 – напряжения обмоток;
Т – период сигнала (360 градусов);
F – фаза смещения (120 градусов).
Фазовые обмотки могут соединяться в «звезду» или «треугольник».
Виды соединения обмоток
При соединении в «треугольник» ток в каждой из обмоток в 1,7 раза меньше тока, отдаваемого генератором. Поэтому в генераторах большой мощности применяют соединение в «треугольник», т. к. при меньших токах обмотки можно наматывать более тонким проводом, что технологичнее. Более тонкий провод можно применять и при соединении типа «звезда». В этом случае обмотку выполняют из двух параллельных обмоток, каждая из которых соединена в «звезду», т.е. получается «двойная звезда».
Для того, чтобы магнитный поток обмотки возбуждения подводился непосредственно к обмотке статора и не рассеивался в пространстве, катушки помещены в пазы стальной конструкции — магнитопровода. Так как переменное магнитное поле наводится не только в катушках, но и в магнитопроводе статора, то это приводит к возникновению паразитных вихревых токов, которые ведут к потере мощности и нагревают статор. Для уменьшения проявления этого эффекта магнитопровод изготавливают из набора стальных пластин (пакета железа).
Бортовая сеть автомобиля требует подведения к ней постоянного напряжения. Поэтому обмотка статора питает бортовую сеть автомобиля через выпрямитель, встроенный в генератор.
Выпрямитель для трехфазной системы содержит шесть силовых полупроводниковых диодов, три из которых соединены с выводом «+» генератора, а другие три с выводом «—» («массой»). Полупроводниковые диоды находятся в открытом состоянии и не оказывают существенного сопротивления прохождению тока при приложении к ним напряжения в прямом направлении и практически не пропускают ток при обратном напряжении. Следует обратить внимание на то, что под термином «выпрямительный диод» не всегда скрывается привычная конструкция, имеющая корпус, выводы и т. д. Иногда это просто полупроводниковый кремниевый переход, загерметизированный на теплоотводе.
Сборка с выпрямительными диодами:
2. дополнительные диоды;
Многие производителизаменяют диоды силового моста стабилитронами в целях защиты электронных узлов автомобиля от всплесков напряжения.
Отличие стабилитрона от выпрямительного диода состоит в том, что при воздействии на него напряжения в обратном направлении он не пропускает ток лишь до определенной величины этого напряжения, называемого напряжением стабилизации. Обычно в силовых стабилитронах напряжение стабилизации составляет 25-30 В. При достижении этого напряжения стабилитроны «пробиваются «, т. е. начинают пропускать ток в обратном направлении, причем в определенных пределах изменения силы этого тока напряжение на стабилитроне, а, следовательно, и на выводе «+» генератора остается неизменным, не достигающем опасных для электронных узлов значений. Свойство стабилитрона поддерживать на своих выводах постоянство напряжения после «пробоя» используется и в регуляторах напряжения.
Напряжения на обмотках изменяются по кривым, близким к синусоиде. В одни моменты времени они положительны, в другие отрицательны. Если положительное направление напряжения в фазе принять по стрелке, направленной к нулевой точке обмотки статора, а отрицательное от нее, то для момента времени t, когда напряжение второй фазы отсутствует, первой фазы — положительно, а третьей — отрицательно, направление напряжений фаз соответствует стрелкам, показанным на рисунке.
Направление токов в обмотках и выпрямителе генератора
Рассмотрев любые другие моменты времени, легко убедиться, что в трехфазной системе напряжения, возникающего в обмотках фаз генератора, диоды силового выпрямителя переходят из открытого состояния в закрытое и обратно таким образом, что ток в нагрузке имеет только одно направление — от вывода «+» генераторной установки к ее выводу «—» («массе»), т. е. в нагрузке протекает постоянный (выпрямленный) ток.
У значительного количества типов генераторов обмотка возбуждения подключается к собственному выпрямителю, собранному на трех диодах. Такое подключение обмотки возбуждения препятствует протеканию через нее тока разряда аккумуляторной батареи при неработающем двигателе автомобиля.
Диоды выпрямителя обмотки возбуждения работают аналогично, питая выпрямленным током эту обмотку. Причем в выпрямитель обмотки возбуждения тоже входят 6 диодов, три из них общие с силовым выпрямителем (отрицательные диоды). Ток возбуждения значительно меньше, чем ток, отдаваемый генератором в нагрузку. Поэтому в качестве диодов обмотки возбуждения применяются малогабаритные слаботочные диоды на ток не более 2 А (для сравнения, диоды силового выпрямителя допускают протекание токов силой до 25-35 А).
При необходимости увеличения мощности генератора применяется дополнительное плечо выпрямителя.
Схема генераторной установки с дополнительными диодами
Такая схема выпрямителя может иметь место только при соединении обмоток статора в «звезду», т. к. дополнительное плечо запитывается от «нулевой» точки «звезды».
Если бы фазные напряжения изменялись чисто по синусоиде, эти диоды вообще не участвовали бы в процессе преобразования переменного тока в постоянный. Однако в реальных генераторах форма фазных напряжений отличается от синусоиды. Она представляет собой сумму синусоид, которые называются гармоническими составляющими или гармониками — первой, частота которой совпадает с частотой фазного напряжения, и высшими, главным образом, третьей, частота которой в три раза выше, чем первой.
Из электротехники известно, что в линейном напряжении, т. е. в том напряжении, которое подводится к выпрямителю и выпрямляется, третья гармоника отсутствует. Это объясняется тем, что третьи гармоники всех фазных напряжений совпадают по фазе, т. е. одновременно достигают одинаковых значений и при этом взаимно уравновешивают и взаимоуничтожают друг друга в линейном напряжении.
Таким образом, третья гармоника в фазном напряжении присутствует, а в линейном — нет. Следовательно, мощность, развиваемая третьей гармоникой фазного напряжения не может быть использована потребителями. Чтобы использовать эту мощность, добавлены диоды, подсоединенные к нулевой точке обмоток фаз, т. е. к точке где сказывается действие фазного напряжения. Таким образом, эти диоды выпрямляют только напряжение третьей гармоники фазного напряжения. Применение этих диодов увеличивает мощность генератора на 5-15% при частоте вращения более 3000 мин-1.
Напряжение генератора без регулятора сильно зависит от частоты вращения его ротора, магнитного потока, создаваемого обмоткой возбуждения, а, следовательно, от силы тока в этой обмотке и величины тока, отдаваемого генератором потребителям. Чем больше частота вращения и сила тока возбуждения, тем больше напряжение генератора, чем больше сила тока его нагрузки — тем меньше это напряжение. Функцией регулятора напряжения является стабилизация напряжения при изменении частоты вращения и нагрузки за счет воздействия на ток возбуждения. Ранее применялись вибрационные регуляторы, а затем контактно-транзисторные. Эти два типа регуляторов в настоящее время полностью вытеснены электронными.
Недостатком приведенного варианта подключения регулятора является то, что регулятор поддерживает напряжение на выводе «D+» генератора, а потребители, в том числе, аккумуляторная батарея, включены на вывод «В+». Кроме того, при таком включении регулятор не воспринимает падения напряжения в соединительных проводах между генератором и аккумуляторной батареей и не вносит корректировок в напряжение генератора, чтобы компенсировать это падение. Эти недостатки устранены в следующей схеме, где напряжение на входную цепь регулятора подается от того узла, где его следует стабилизировать, обычно, это вывод «В+» генератора.
Усовершенствованная схема стабилизации напряжения
Некоторые регуляторы напряжения обладают свойством термокомпенсации — изменения напряжения, подводимого к аккумуляторной батарее, в зависимости от температуры воздуха в подкапотном пространстве для оптимального заряда АКБ. Чем ниже температура воздуха, тем большее напряжение должно подводиться к батарее и наоборот. Величина термокомпенсации достигает до 0,01 В на 1°С.
Как проверить автомобильный генератор своими руками
Генератор для двигателя вроде мини-электростанции, которая снабжает всю бортовую сеть автомобиля, включая аккумулятор (АКБ). Неисправность генератора приведет к неминуемой полной разрядке АКБ, после чего двигатель вашего автомобиле просто перестанет работать, равно как и вся бортовая сеть.
Для того чтобы произвести диагностику генератора нужно обладать определенными навыками и инструментом.
Меры предосторожности и правила безопасности
Запрещено:
Проверять работоспособность генератора путем проверки его «на искру», то есть методом короткого замыкания. Соединять клемму «30» (иногда обозначается как «В+») с клеммой 67 («D+») или «массой».
Допускать работу генератора при выключенных потребителях, например при отключении его от аккумуляторной батареи.
Проверять вентили генератора напряжением выше 12 В.
Можно и нужно:
Проверять исправность генератора при помощи вольтметра или амперметра.
Во время сварочных работ на кузове автомобиля необходимо отключать провода от генератора и АКБ.
Во время замены проводки в системе генератора провода должны иметь такое же сечение и длину как и «родные» провода.
Перед тем как проверить генератор убедитесь в правильном натяжении ремня генератора, а также исправности всех соединений и клемм. Нормальной считается натяжка ремня, при которой нажимая большим пальцем на середину ремня, он прогнется не больше чем на 10-15 мм.
Проверка генератора автомобиля своими руками
Чтобы проверить регулятор напряжения вам потребуется вольтметр со шкалой от 0 до 15 В.
Дайте мотору поработать на средних оборотах при включенных фарах примерно 15 минут.
Проверьте напряжение между «массой» генератора и выводами «30» («В+»), на вольтметре у вас должно быть нормальное для вашего автомобиля напряжение (для владельцев «девятки» например, нормальным считается напряжение — 13,5 – 14,6 В). Если напряжение выше или ниже установленного производителем — скорее всего придется заменить регулятор.
Не лишним будет также проверить регулируемое напряжение, для этого подключите вольтметр непосредственно к клеммам АКБ. Мотор должен работать на высоких оборотах, которые приближены к максимальным. Фары и другие потребители электроэнергии автомобиля должны быть включенными. Размер напряжения должен совпадать с параметрами вашего автомобиля.
Диодный мост
Проверка диодного моста относится к комплексу проверок генератора. Для того чтобы проверить диодный мост подключите вольтметр или мультиметр к зажиму «30» («В+») генератора, а также к «массе», и включите прибор в режим измерения переменного тока. Переменный ток на диодном мосту не должен превышать 0,5 В, если у вас вышло больше — скорее всего диоды неисправны.
Пробои на «массу»
Проверка пробивания на «массу» не будет лишней в случае если «гена компостирует мозги». Для этого необходимо отключить аккумуляторную батарею и провод генератора, который идет к клемме «30» («В+»). После этого подключите прибор между клеммой «30» («В+») и отключенным проводом генератора. Смотрим на показания — если на приборе ток разряда превышает 0,5 мА, скорее всего есть пробой диодов или изоляции обмоток генератора.
Сила тока отдачи
Сила тока отдачи генератора проверяется при помощи специального зонда, которым провод охватывают, измеряя тем самым силу тока, идущего по проводу.
Для проверки тока отдачи нужно зондом обхватить провод, который идет к зажиму «30» («В+»).
Заведите двигатель – во время проведения измерения он должен работать на высоких оборотах.
Включайте по очереди электропотребители и считывайте показания прибора отдельно для каждого потребителя.
В конце измерений вам необходимо подсчитать сумму показаний.
Далее, включите все потребители (которые вы включали поочередно) одновременно и произведите замер показаний мультиметра. Величина не должна быть меньше суммы показаний отдельно измеренных показателей, допустимое расхождение — 5 А.
Проверка тока возбуждения генератора выполняется посредством запуска двигателя и последующей его работы на высоких оборотах. После чего измерительный зонд помещается вокруг провода, ведущего к клемме 67 («D+»). Исправный генератор должен показать величину тока возбуждения — равную 3-7 А.
Проверка обмотки
Чтобы проверить обмотки возбуждения, потребуется снятие регулятора напряжения, а также щеткодержателя. При необходимости произведите зачистку контактных колец и проверьте обмотку на предмет отсутствия обрывов и замыканий на «массу».
Проверять необходимо омметром, его щупы прикладываются к контактным кольцам, после чего снимаются показания. Сопротивление должно быть в пределах от 5 до 10 Ом.
После подключите один электрод прибора к любому из контактных колец, а другой к статору генератора. На дисплее должна показываться бесконечно высокое сопротивление, в противном случае — обмотка возбуждения где-то замыкает на «массу».
Рекомендации по замене
Практика эксплуатации показывает, что поменять автомобильный генератор несложно, но для решения задачи требуется соблюдать ряд правил:
Схемa генерaторa переменного токa
