Генератор переменного тока

                 Государственное бюджетное образовательное учреждение Среднего 
                          профессионального образования Ленинградской области 
 
                             Техникум водного транспорта (Отрадненский филиал) 
 
 
 
 
 
 
                                          Реферат по предмету : 
                                         « Электротехника » 
 
 

 

 

 

                                                                                                          Выполнила : студентка 904 группы

                                                                                                                                     Мякшина Наталья.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                                        2013 год.

                           

 
                                    

I . Генератор  переменного тока.

Электрический ток вырабатывается в генераторах – устройствах, преобразующих энергию того или  иного вида в электрическую энергию. К генераторам относятся гальванические элементы, электростатические машины, термобатареи, солнечные батареи  и т. п. Область применения каждого  из перечисленных видов генераторов  электроэнергии определяется их характеристиками. Так, электростатические машины создают  высокую разность потенциалов, но неспособны создать в цепи сколько-нибудь значительную силу тока. Гальванические элементы могут  дать большой ток, но продолжительность  их действия невелика.

Преобладающую роль в наше время играют электромеханические индукционные генераторы переменного тока. В этих генераторах механическая энергия превращается в электрическую . Их действие основано на явлении электромагнитной индукции. Такие генераторы имеют сравнительно простое устройство и позволяют получать большие токи при достаточно высоком напряжении.

Генератор переменного тока – это машина, преобразующая механическую энергию вращения в электрическую энергию переменного тока. Различают синхронные и асинхронные генераторы переменного тока. Асинхронные генераторы, имевшие ограниченное применение, главным образом в автономных системах электропитания, к 70-м годам 20 века практически полностью заменены синхронными генераторами. Наибольшее применение имеют трехфазные генераторы переменного тока; однофазные генераторы не получили распространения, так как их характеристики и эксплуатационные качества значительно хуже, чем у трехфазных. Мощные генераторы переменного тока устанавливают на электростанциях (турбогенератор, гидрогенератор); генераторы переменного тока относительно небольшой мощности работают в системах автономного энергоснабжения (дизельная электростанция, газотурбинная электростанция) и в преобразователях частоты (двигатель-генераторный агрегат).

Устройство и принцип  действия. 
В настоящее время имеется много типов индукционных генераторов. Но все они состоят из одних и тех же основных частей. Это, во-первых, электро-магнит или постоянный магнит , создающий магнитное поле, и, во-вторых, обмотка, в которой индуцируется переменная э. д. с. Так как э. д. с., наводимые в последовательно соединенных витках, складываются, то амплитуда э. д. с. индукции в обмотке пропорциональна числу витков в ней. Она пропорциональна также амплитуде переменного магнитного потока через каждый виток:

Ф=B⋅S

Для получения большого магнитного потока в генераторах применяют специальную магнитную систему, состоящую из двух сердечников, сделанных из электротехнической стали. Обмотки, создающие магнитное поле, размещены в пазах одного из сердечников, а обмотки, в которых индуцируется э. д. с., - в пазах другого. Один из сердечников (обычно внутренний) вместе со своей обмоткой вращается вокруг горизонтальной или вертикальной оси. Поэтому он называется ротором. Неподвижный сердечник с его обмоткой называют статором. Зазор между сердечниками статора и ротора делают как можно меньшим. Этим обеспечивается наибольшее значение потока магнитной индукции.

В больших промышленных генераторах  вращается электромагнит, который является ротором, в то время как обмотки , в которых наводится э. д. с., уложены в пазах статора и остаются неподвижными . Дело в том, что подводить ток к ротору или отводить его из обмотки ротора во внешнюю цепь приходиться при помощи скользящих контактов. Для этого ротор снабжается контактными кольцами, присоединенными к концам его обмотки. Неподвижные пластины – щетки – прижаты к кольцам и осуществляют связь обмотки ротора с внешней цепью. Сила тока в обмотках электромагнита, создающего магнитное поле , значительно меньше силы тока, отдаваемого генератором во внешнюю цепь.  Поэтому генерируемый ток удобнее снимать с неподвижных обмоток, а через скользящие контакты подводить сравнительно слабый ток к вращающемуся электромагниту. Этот ток вырабатывается отдельным генератором постоянного тока (возбудителем), расположенным на том же валу. В маломощных генераторах магнитное поле создается вращающимся постоянным магнитом. В таком случае кольца и щетки вообще не нужны. Появление э. д. с. в неподвижных обмотках статора объясняется возникновением в них вихревого электрического поля , порожденного изменением магнитного потока при вращении ротора. Возбудитель электрических машин – это генератор постоянного или переменного тока для питания индуктора электрической машины, создающего в ней рабочий магнитный поток. В основном получили развитие возбудитель электрических машин в синхронных машинах, поскольку постоянный ток , необходимый для питания индуктора, самой машиной не вырабатывается. В качестве возбудителя обычно применяется коллекторный генератор постоянного тока с шунтовым или независимым возбуждением от подвозбудителя. В связи с ростом мощностей и повышением быстродействия системы управления синхронных машин , а также в специальных машинах начиная с 50-х годов 20 века применяются возбудители электрических машин, в которых переменное напряжение от основной машины (непосредственно или через трансформатор —  самовозбуждение) или от вспомогательной синхронной машины (независимое возбуждение) подаётся на ионный или полупроводниковый выпрямитель, питающий индуктор основной машины. Регулирование осуществляется в силовой цепи возбуждения или воздействием на цепь возбуждения возбудителя. В другом типе возбудителя электрических машин переменное напряжение от вспомогательного генератора, якорь которого расположен на общем валу с индикатором синхронной машины, подаётся на выпрямитель, смонтированный на том же валу. Выпрямленное напряжение поступает непосредственно в обмотку индуктора. Основные достоинства таких возбудителей – отсутствие скользящих контактов , повышенная надёжность и высокое быстродействие . Современный генератор электрического тока – это внушительное сооружение из медных проводов, изоляционных материалов и стальных конструкций. При размерах в несколько метров важнейшие детали генераторов изготовляются с точностью до миллиметра. Нигде в природе нет такого сочетания движущихся частей, которые могли бы порождать электрическую энергию стольже непрерывно и экономично.

 

 

 

 

 

 

Схема устройства.

Рис.1  Схема низковольтной активизированной дуги переменного тока:

I — основной контур; II — вспомогательный контур; R —  реостат питания дуги; А — амперметр; d — рабочий промежуток дуги; L — вторичная катушка высокочастотного  трансформатора; С — блокировочный  конденсатор (0,5–2 мкФ); Тр — повышающий трансформатор ; La — первичная катушка высокочастотного трансформатора; Са — конденсатор активизатора (3000 мкФ); RTp — сопротивление активизатора; da — разрядный промежуток активизатора 

 

 

Рис.2  Устройство генератора переменного тока: 1 — аккумуляторная батарея; 2 — постоянный ток для питания электромагнитов; 3 — шкив; 4 — ременная передача; 5 — обмотка; 6 — статор; 7 — ротор; 8 - контактные кольца; 9 — электромагнит; 10 — щетки; 11 — к потребителю .

 

 

II . Асинхронный двигатель.

История создания и область  применения асинхронных двигателей .

В настоящее время асинхронные  машины используются в основном в  режиме двигателя. Машины мощностью  больше 0.5 кВт обычно выполняются трёхфазными, а при меньшей мощности – однофазными.  Впервые конструкция трёхфазного асинхронного двигателя была разработана, создана и опробована нашим русским инженером М. О. Доливо-Добровольским в 1889-91 годах. Демонстрация первых двигателей состоялась на Международной электротехнической выставке во Франкфурте на Майне в сентябре 1891 года. На выставке было представлено три трёхфазных двигателя разной мощности. Самый мощный из них имел мощность 1.5 кВт и использовался для приведения во вращение генератора постоянного тока. Конструкция асинхронного двигателя, предложенная Доливо-Добровольским, оказалась очень удачной и является основным видом конструкции этих двигателей до настоящего времени.

За прошедшие годы асинхронные  двигатели нашли очень широкое  применение в различных отраслях промышленности и сельского хозяйства. Их используют в электроприводе металлорежущих станков, подъёмно-транспортных машин, транспортёров, насосов, вентиляторов. Маломощные двигатели используются в устройствах автоматики.

Широкое применение асинхронных  двигателей объясняется их достоинствами  по сравнению с другими двигателями: высокая надёжность, возможность  работы непосредственно от сети переменного  тока, простота обслуживания.

Устройство и принцип  действия.

Асинхронный двигатель отличается простотой конструкции и несложностью обслуживания. Как и любая машина переменного тока, асинхронный двигатель  состоит из двух основных частей —  ротора и статора. Статором называется неподвижная часть машины, ротором  — ее вращающаяся часть. Асинхронная  машина обладает свойством обратимости, то есть может быть использована как  в режиме генератора, так и в  режиме двигателя. Из-за ряда существенных недостатков асинхронные генераторы практически не применяются, тогда, как асинхронные двигатели получили очень широкое распространение.

Многофазная обмотка переменного тока создает вращающееся магнитное поле, частота вращения которого в минуту рассчитывается по формуле: 

n1=60f1/p

где: n- частота вращения магнитного поля статора; f — частота тока в  сети; р — число пар полюсов. 

Если ротор вращается  с частотой, равной частоте вращения магнитного поля статора, то такая частота  называется синхронной.  

В асинхронном двигателе  рабочий процесс может протекать  только при асинхронной частоте, то есть при частоте вращения ротора, не равной частоте вращения магнитного поля. 

Номинальная частота вращения асинхронного двигателя зависит  от частоты вращения магнитного поля статора и не может быть выбрана  произвольно. При стандартной частоте  промышленного тока f1=50Гц возможные синхронные частоты вращения (частоты вращения магнитного поля) n1=60f1/p=3000/p 

Работа асинхронного электродвигателя основана на явлении, названном «диск  Араго — Ленца». Это явление заключается в следующем: если перед полосами постоянного магнита поместить медный диск, свободно сидящий на оси, и начать вращать магнит вокруг его оси при помощи рукоятки, то медный диск будет вращаться в том же направлении. Это объясняется тем, что при вращении магнита его магнитное поле пронизывает диск и индуктирует в нем вихревые токи. В результате взаимодействия вихревых токов с магнитным полем магнита, возникает сила, приводящая диск во вращение. На основании закона Ленца направление всякого индуктивного тока таково, что он противодействует причине, его вызвавшей. Поэтому вихревые токи в теле диска стремятся задержать вращение магнита, но, не имея возможности сделать это, приводят диск во вращение так, что он следует за магнитом. При этом частота вращения диска всегда меньше, чем частота вращения магнита. Если бы эти частицы почему-либо стали одинаковыми, то магнитное поле не перемещалось бы относительно диска, и, следовательно, в нем не возникали бы вихревые токи, то есть не было бы силы, под действием которой диск вращается. 

В асинхронных двигателях, используемых в бензогенераторах и дизель генераторах, постоянный магнит заменен вращающимся магнитным полем, создаваемым трехфазной обмоткой статора при включении ее в сеть переменного тока.  

Вращающееся магнитное поле статора пересекает проводники обмотки  ротора и индуктирует в них  ЭДС, то есть электродвижущую силу. Если обмотка ротора замкнута на какое-либо сопротивление или накоротко, то по ней под действием индуктируемой  электродвижущей силы проходит ток.  

В результате взаимодействия тока в обмотке ротора с вращающемся  магнитным полем обмотки статора  создается вращающейся момент , под действием которого ротор начинает вращаться по направлению вращения магнитного поля.  

Если предположить, что  в какой-то момент времени частота  вращения ротора оказалась равной частоте  вращения поля статора, то проводники обмотки ротора не будут пересекать магнитное поле статора и тока в роторе не будет. В этом случае вращающийся момент станет равным нулю и частота вращения ротора уменьшится по сравнению с частотой вращения поля статора, пока не возникнет вращающейся момент, уравновешивающий тормозной момент, который складывается из момента нагрузки на валу и момента сил трения в машине.  

Асинхронная машина кроме  двигательного режима может работать в генераторном режиме и режиме электромагнитного  тормоза.

Генераторный режим возникает  в том случае, когда ротор с  помощью постоянного двигателя  вращается в направлении вращения магнитного поля с частотой вращения, большей частоты вращения магнитного поля. Поэтому работе асинхронной  машины в генераторном режиме соответствуют  скольжения в пределах от 0 до -. 

Если ротор под действием  посторонних сил начнет вращаться  в сторону, противоположную направлению  вращения магнитного поля, то возникает  режим электромагнитного тормоза.  

Для изменения направления  вращения ротора, то есть для реверсирования двигателя, необходимо изменить направление  вращения магнитного поля, созданного обмотками статора. Это достигается изменением чередования фаз обмоток статора, для чего следует поменять местами по отношению к зажимам сети любые два из трех проводов, соединяющих обмотку статора с сетью. Вне зависимости от направления вращения ротора его частота n всегда меньше частоты вращения магнитного поля статора.

 

Схема устройства.

 

 

 

 Разрез асинхронного двигателя  с фазным ротором 
1 - вал двигателя, 2 - ротор, 3 - обмотка ротора, 4 - статор, 5 - обмотка статора, 6 - корпус, 7 - подшипниковые крышки, 8 - вентилятор, 9 - контактные кольца 

Фазный ротор имеет  три фазные обмотки , соединенные между собой звездой (реже треугольником). Концы фазных обмоток ротора присоединяют к трем медным кольцам, укрепленным на валу ротора и изолированным как между собой, так и от стального сердечника ротора, вследствие чего этот двигатель получил также название двигателя с контактными кольцами. Три кольца жестко насажены на вал ротора (через изоляционные прокладки). На кольца накладываются щетки, которые размещены в щеткодержателях, укрепленных на одной из подшипниковых крышек. 
Щетки, скользящие по поверхности колец ротора, все время имеют с ними хороший электрический контакт и соединены, таким образом, с обмотками ротора. Щетки соединены с трехфазным реостатом.

 

Схема (а) и векторная диаграмма (б) конденсаторного асинхронного двигателя: 
 
U, UБ, UC — напряжения; IA, IБ — токи; А и Б — обмотки статора; В —центробежный выключатель для отключения С1 после разгона двигателя; C1 и C2 — конденсаторы.