Современные магазины и онлайн-платформы предлагают широкий спектр моделей электрических генераторов, однако основные различия между ними минимальны и заключаются в типе топлива, уровне мощности и наличием автоматических систем управления. Поэтому разумно начать с главной классификации электрогенераторов.
Какие бывают электрогенераторы? Виды, отличия и преимущества генераторов тока
Существуют три главных типа электрогенераторов: бензиновые, дизельные и газовые. Они отличаются не только по источнику топлива, но также по рабочему напряжению (однофазное против трехфазного), предназначению (бытовое или профессиональное использование) и уровню потребляемой мощности.
Изучая тему генераторов, можно отметить, что XXI век привел к нашей зависимости от электроэнергии. Мы постоянно используем электрические устройства — от холодильников и микроволновых печей до ноутбуков и смартфонов. Отключение электроэнергии может привести к значительным проблемам в нашей повседневной жизни. Даже в 2023 году аварии и отключения все еще имеют место быть, особенно в сельской местности, где перебои с электричеством продолжают оставаться нормой. Чтобы избежать зависимости от внешних источников энергии, все больше людей решает приобрести собственные электрические генераторы переменного тока. Далее мы рассмотрим их виды, отличия и основные преимущества и недостатки.
Электрогенератор — что это? Краткая справка
Электрический генератор — это устройство, в котором различные виды энергетических ресурсов (таких как механическая, химическая или тепловая) преобразуются в электрическую энергию (по определению, взятому из Википедии). Говоря простыми словами, это устройства, предназначенные для генерации электрической энергии с использованием источников топлива, таких как бензин, газ или дизель. Конструкция генератора включает в себя двигатель внутреннего сгорания, генератор, раму, топливный бак с заливной горловиной, контрольные приборы и электронный блок.
Каков же принцип работы данного устройства? Главный рабочий элемент электрогенератора — это двигатель внутреннего сгорания, который вращает якорь электрического генератора. Поддерживая высокие обороты, он создает электрическое напряжение, которое затем выводится на специальные клеммы, позволяя подключать разнообразные устройства и бытовые приборы.
В чем особенности бензиновых генераторов
Бензиновый генератор представляет собой источник электроэнергии средних мощностей, и его стоит приобретать лишь в тех случаях, когда нет потребности в постоянном и бесперебойном электроснабжении. Максимальный срок непрерывной работы таких агрегатов составляет около 12 часов. В процессе работы, бензиновый двигатель потребляет около 1-2,5 литров топлива в час.
Ключевым преимуществом бензиновых генераторов является их устойчивость к температурным перепадам — они могут функционировать в любых погодных условиях. Такие генераторы часто находят применение в приусадебных участках и являются отличным вариантом для загородного дома. Обычно они имеют небольшой вес, что позволяет легко транспортировать их, например, во время похода.
Также существуют инверторные бензиновые генераторы, оборудованные специальными электронными устройствами, которые позволяют им преобразовывать электричество, получаемое от двигателя, в напряжение 220 вольт.
Какие плюсы и минусы у использования газовых электрогенераторов
Газовые генераторы работают на основе природного газа или смесях пропан-бутана. Их мощность может варьироваться от 1,5 кВт до превышающих десятки киловатт. Даже при низком давлении газа такие установки способны обеспечить вас стабильным электроснабжением. Например, обычный газовый генератор, работающий от 50-литрового баллона, может функционировать около 20 часов. Одним из ярких преимуществ газовых генераторов является их экологичность, поскольку они производят значительно меньше выхлопных газов, чем бензиновые модели.
Важно также отметить, что запуск двигателя газового генератора возможен только при положительных температурах, поэтому их рекомендуется устанавливать в отапливаемых помещениях. Среди других плюсов можно выделить бесшумную работу газовых генераторов и отсутствие вибраций благодаря низкому давлению на поршень двигателя, а также постоянную подачу топлива и высокую экономичность в использовании.
Газовые генераторы часто используются в местах с высокой потребностью в электроэнергии, например, в промышленных масштабах (от 500 кВт и выше). Их компактные размеры имеют значительное значение для производственных условий. Эти агрегаты успешно справляются с различными задачами и могут применяться в сельском хозяйстве, в магазинах, на складах и в других помещениях. В последнее время такие генераторы также становятся популярными в домах и квартирах.
Генераторы постоянного тока
Общее количество промышленных установок использует переменный ток, однако многие устройства работают на постоянном токе. Такой ток получается путем выпрямления переменного, либо через индукционный генератор, конструкция которого содержит коллектор — устройство для преобразования переменного напряжения в постоянное. Напряжение при этом зависит от скорости вращения роторной части устройства.
Для выпрямления напряжения можно также использовать диодный мост.
Устройство и принцип действия
Применение генераторов постоянного тока представлено ниже.
Простейший электрогенератор состоит из следующих компонентов:
- двух разнополюсных магнитов (постоянных или электромагнитов);
- вращающейся медной рамки;
- цилиндрического коллектора;
- токосъемных угольных щеток.
Вращающуюся часть генератора называют ротором; она установленна на якоре, что является неподвижной частью устройства — статором.
Ключевое отличие электрогенераторов постоянного тока от аналогов переменного заключается в том, что их обмотки соединены с парой полуколец, а не с кольцами, как в переменных моделях. Полукольца разделены изолирующим материалом и надеты на общий вращающийся вал с металлической рамкой. Щетки, которые отводят электричество в внешний контур, прижимаются к движущимся по кругу полукольцам с помощью пружин.
На каждом полуобороте рамки полукольца, прикрепленные к её концам, поочередно переходят от одной щетки к другой. В процессе этого изменяется направление тока дважды за один оборот. Если коллектор переключает в моменты перемены направления движения зарядов в рамке, одна щетка становится положительным, а другая — отрицательным полюсом. В результате за счет цепи начинается передача электричества с однонаправленным движением зарядов.
Таким образом, работа генератора постоянного тока, основанного на индуктировании электричества якорем агрегата, подразумевает его выпрямление с помощью коллектора. На выходе у нас получается ток прямого типа — он не меняет направление, но по величине изменяется от нуля до пикового значения за каждый период, при этом его частота вдвое меньше пульсаций. Этот ток описывается как пульсирующий.
Для сглаживания скачков напряжения от нуля до максимального значения и преобразования прямого напряжения в постоянное, якорь агрегата изготавливается из множества катушек, смещенных относительно друг друга. Ротор состоит из такого же количества пластин, каждая из которых располагается вокруг вращающегося вала с коллектором, что дает конструкцию якоря барабанного типа.
Ниже изображен электрический генератор с четырёхполюсным якорем в поперечном разрезе.
Классификация
Существует несколько подходов для классификации электрических генераторов.
По типу возбуждения: это агрегаты с само- и независимым возбуждением обмоток. Существует два типа электромагнитов, используемых в таких устройствах. Агрегаты, которые черпают питание для создания магнитного поля от отдельного источника, называются генераторами с независимым возбуждением. Их принцип работы будет рассмотрен далее.
Генераторы переменного тока
Практически все электрогенераторы вырабатывают переменный ток, используя разнообразные внешние источники энергии: ветер, распад атомного ядра, движение поршня, возникающее в результате сгорания топлива, или падающая тяжелая вода, воздействующая на лопасти турбины.
Устройство и принцип действия
Основные узлы, задействованные в генераторе переменного тока, представлены на схеме. Это:
- магнитное поле индуктор — электромагнит с противоположными полюсами;
- вращающаяся рамка;
- обмотка, в которой возникает индуцированный ЭДС из-за изменения магнитного потока;
- контактные кольца и токосъемные щетки, которые иногда могут представлять собой пластины.
В мощных системах роль статора выполняет якорь, а ротором становится индуктор.
Якорь генератора имеет форму цилиндра с выступами, на которые готовятся катушки. Они соединены так, чтобы полюса магнита чередовались на этих выступах, и их количество может достигать более 12 штук. Именно от числа полюсов зависит частота вращения вала: чем больше полюсов, тем медленнее должен вращаться ротор.
К примеру, при наличии шести пар полюсов ротору достаточно выполнять 500 об./мин., чтобы обеспечить ток частотой в 50 Гц.
Для увеличения магнитных потоков в якорь устанавливают цельнометаллический сердечник. Нужен лишь минимальный зазор между ним и магнитом, чтобы ротор мог свободно вращаться.
Ротор является гладким цилиндром, и в его наружные пазы помещена обмотка, которая имеет такую геометрию, чтобы индуцированный ЭДС изменялся по синусоидальному закону при вращении ротора, что в свою очередь позволяет вырабатывать синусоидальный ток.
Статор — это неподвижная часть электрогенератора. Он имеет вид полого цилиндра с пазами, в которые вложены обмотки. Для уменьшения токов Фуко он изготавливается из стальных листов, между которыми помещены слои диэлектрика.
Ротор приводится в движение за счет внешней механической силы. Во время пересечения магнитных линий обмоткой якоря в обмотке статора индуцируется электрический ток. Направление этого тока меняется с каждым оборотом ротора, что и приводит к появлению переменного тока на выходе генератора.
Виды: синхронный и асинхронный
Генераторы классифицируют на синхронные и асинхронные.
Синхронный генератор включает в себя обмоточный провод, который стабилизирует напряжение между динамическими и статичными узлами. В то время как первый вращается с частотой магнитного поля, пересекающего обмотку статора, ротор при запуске создает слабое электромагнитное поле, однако по мере увеличения оборотов увеличивается и сила этого поля. Полученное напряжение стабилизируется за счет автоматики, которая изменяет магнитное поле.
Недостаток асинхронных генераторов заключается в том, что они имеют щеточный узел, который требует обслуживания.
Асинхронный генератор функционирует в режиме торможения с вращающимся узлом: ротор, хотя и вращается с опережением, остается в том же направлении, что и поле статора.
Статор создает силовое поле на вспомогательной обмотке, которое передается на ротор, что в свою очередь вызывает формирование ЭДС на обмотке и подачу выходного напряжения на блок управления.
Синхронный электрогенератор
Синхронный электрогенератор представляет собой синхронную машину, работающую в режиме генератора, где частота вращения магнитного поля статора совпадает с частотой вращения ротора. Ротор с магнитными полюсами создает вращающееся магнитное поле, которое пересекает обмотку статора, индуцируя в ней ЭДС. В синхронных генераторах ротор выполнен в виде постоянного магнита или электромагнита.
Количество полюсов ротора может варьироваться от двух, четырех и выше, но всегда кратно двум. В бытовых электростанциях, как правило, используется ротор с двумя полюсами, что и определяет частоту вращения двигателя электростанции равной 3000 об./мин. При запуске электрогенератора ротор создает слабое магнитное поле, но по мере увеличения оборотов, сила ЭДС в обмотке возбуждения растет. Напряжение с этой обмотки через блок автоматической регулировки (AVR) поступает на ротор, контролируя выходное напряжение за счет изменения магнитного поля. Например, если индуктивная нагрузка размагничивает генератор, напряжение падает, а при включении емкостной нагрузки происходит подмагничивание генератора и повышение напряжения. Такой процесс называется «реакцией якоря».
Для обеспечения стабильности выходного напряжения необходимо регулярно изменять магнитное поле ротора, что достигается регулированием тока в его обмотке, и эта задача решается блоком AVR. Преимуществом синхронных генераторов служит высокая стабильность выходного напряжения, однако их недостатком может быть вероятность перегрузки по току, поскольку при слишком высокой нагрузке регулятор может чрезмерно повысить ток в обмотке ротора. Кроме того, щеточный узел требует периодического обслуживания. Тем не менее, благодаря высокотехнологичной регулировке, выходное напряжение генератора остается на уровне около ±1% независимо от изменений тока нагрузки и оборотов двигателя.
Асинхронный электрогенератор
Асинхронный электрогенератор является асинхронной машиной, работающей в режиме торможения. Ротор такого генератора вращается с опережением, но направлен в ту же сторону, что и магнитное поле статора. В зависимости от типа обмотки, ротор может быть короткозамкнутым или фазным.
Вращающееся магнитное поле, создаваемое вспомогательной обмоткой статора, индуцирует магнитное поле на роторе, которое, вращаясь вместе с ротором, вызывает ЭДС в рабочей обмотке статора, аналогично тому, как это происходит в синхронном генераторе. Однако вращающееся магнитное поле остается неизменным и недоступно для регулировки, поэтому напряжение и частота на выходе генератора зависят от скорости вращения ротора и, соответственно, от стабильности работы двигателя электростанции.
Хотя асинхронные генераторы достаточно просты в обслуживании и имеют невысокую стоимость, они используются редко из-за ряда недостатков: асинхронный генератор всегда потребляет намагничивающий ток значительной силы, что требует наличия внешнего источника реактивной мощности (конденсаторов) в зависимости от активно-индуктивной нагрузки; ненадежность работы в экстренных условиях; возбуждение асинхронного генератора часто происходит из-за случайных факторов и, как правило, имеет место при скорости, превышающей или равной синхронной; также выходное напряжение и частота тока зависят от стабильности работы двигателя и ряда других факторов.
Современные модели бытовых электрогенераторов классифицируются по трем основным признакам:
- Мощность — определяет, какое количество энергии может выдать генератор. Обычно она измеряется в ваттах и варьируется от нескольких сотен до тысяч ватт.
- Тип топлива — генераторы могут работать на различных типах топлива: бензин, дизельное топливо, пропан или природный газ. Выбор подходящего топлива зависит от нужд и предпочтений пользователя.
- Технология — современные генераторы могут быть оснащены различными технологиями, направленными на повышение эффективности работы, снижение уровня шума и выбросов, а также на автоматическое включение при отключении основного питания. Некоторые из современных технологий включают инверторную технологию, автоматическое регулирование оборотов и системы управления нагрузкой.
Подключение электродвигателя постоянного тока зависит от его типа и предполагаемого использования. Электрогенераторы могут быть подключены тремя основными способами: вручную, автоматически и синхронно.
- Ручное подключение: требует вмешательства человека для настройки и запуска генератора. Этот способ используется в случае, если нужен тщательный контроль за процессом генерации.
- Автоматическое подключение: основано на программном коде для автоматической настройки и запуска генератора. Этот метод подходит для автоматизации процессов генерации и может управляться через скрипты или специализированные приложения.
- Синхронное подключение: генерация происходит в согласованном режиме с другими процессами или системами. Этот способ полезен в распределенных системах, где интегрируются несколько генераторов.
Общее описание подключения трехфазного синхронного генератора:
- Подготовьте генератор, соблюдая все меры предосторожности с электрикой.
- Подготовьте нагрузку, уточнив ее вид и потребности в электроэнергии.
- Подсоедините провода в соответствии с инструкциями.
- Заземлите агрегат в соответствии с местными электротехническими стандартами и правилами безопасности.
- Проверьте все подключения, убедившись, что они выполнены корректно и безопасно, следуя указаниям производителя.
Электрогенераторы имеют важное значение в нашей жизни, так как позволяют вырабатывать электричество в необходимых пределах и для различных нужд.
