Современные генераторы переменного тока

Генераторы переменного тока

Первая конструкция генераторов переменного тока была представлена фирмой «Невиль», США в 1946 году. Она состояла практически из всех элементов характерных генераторам постоянного тока: генератор переменного тока с обмоткой возбуждения (отдельно), блок селеновых выпрямителей (отдельно) и стабилизатор напряжения (СН), реле обратного тока (РОТ), ограничитель тока (ОТ) — три изделия в одном корпусе отдельно. Основное назначение изделия мощностью 4 кВт — специальные военные автомобили и автобусы. По массо-габаритным характеристикам данная разработка была в 2,5 раза меньше аналога на постоянном токе.

В СССР, примерно в 1954 году, была представлена первая конструкция генератора переменного тока только со СН и выпрямительным блоком на селеновых выпрямительных диодах. Основной разработчик МЭИ, коллектив которого ранее опубликовал статью по синхронным генераторам с селеновыми выпрямителями. В 1955 году была выпущена первая партия для автомобилей ГАЗ в количестве 2000 шт. Разработка, оптимизация серийной конструкции и организация производства были осуществлены под руководством НИИ Автоприборов (сейчас НИИАЭ) и завода КЗАТЭ г. Самара. Одними из ведущих разработчиками благодаря которым в СССР и на Европейском континенте появилась первая серийная конструкция генераторов переменного тока были Ю. А. Купеев (НИИ Автоприборов) и В. И. Василевский (КЗАТЭ г. Самара).

В 1960 году фирма «Крайслер» представила первую в мире конструкцию с кремниевыми выпрямителями и улучшенной технологией изготовления. В остальном она повторяла разработку авторов из СССР. Тогда же в США начался массовый переход на генераторы переменного тока, который впоследствии произошёл и в СССР только в 1967 году.

Первый конкурентоспособный с изделиями фирмы «Крайслер» серийный генератор СССР стал Г250.

На современных автомобилях применяются синхронные трёхфазные генераторы переменного тока со встроенным полупроводниковым трёхфазным выпрямителем.

Ротор автомобильного генератора переменного тока имеет обмотку возбуждения (у генератора постоянного тока обмотка возбуждения находится на сердечниках полюсов), ток подводится через щётки и контактные кольца. Статор имеет три обмотки, соединённые «звездой». Снимаемый со статора ток выпрямляется шестью полупроводниковыми диодами (встроены в выпрямительный щит) и становится постоянным. Далее выпрямленный ток поступает в бортовую электросеть автомобиля.

Стабилизатор напряжения регулирует ток обмотки возбуждения по принципу отрицательной обратной связи таким образом, чтобы выходное напряжение генератора было как можно более стабильным.

Стабилизаторы напряжения генераторов переменного тока могут быть вибрационные (только электромагнитные реле), контактно-транзисторные (электромагнитные реле, управляемые транзисторной схемой) или бесконтактные (электромагнитное реле отсутствует, ток регулирует электронный ключ на транзисторах). Конструктивное исполнение — выполненные в отдельном корпусе или встроенные в генератор.

Например, на автомобиле ГАЗ-53 применялся контактно-транзисторный стабилизатор напряжения РР-362 (генератор Г-250), на ВАЗ-2101 — вибрационный стабилизатор напряжения РР-380 (генератор Г-221), а на автомобиле Москвич-2140 — контактно-транзисторный стабилизатор напряжения РР-362А. На более поздних выпусках автомобилей ВАЗа и Москвиче-2140 использовался импульсный стабилизатор напряжения Я-112.

Ограничитель тока не используется, так как генераторы переменного тока обладают свойством самоограничения по току благодаря противоиндукции ротора фазными обмотками при возрастании в них тока, реле обратного тока отсутствует как таковое, его функции выполняет выпрямитель; характерно использование реле включения контрольной лампы работы генератора, питаемое или от нулевой точки выпрямителя, или от двух фаз генератора. В отдельных случаях (Г-502 на ЗАЗ-968) функции такого реле исполняет реле блокировки стартера РБ-1, оно же разрывает цепь питания реле стартера после пуска двигателя.

Применение генераторов переменного тока позволяет уменьшить габаритные размеры, вес генератора, повысить его надёжность, сохранив или даже увеличив его мощность по сравнению с генераторами постоянного тока.

Например, генератор постоянного тока Г-12 (автомобиль ГАЗ-69) весит 11 кг, номинальный ток 20 ампер, а генератор переменного тока Г-250П2 (автомобиль УАЗ-469) при массе 5,2 кг выдаёт номинальный ток 28 ампер.

1.6 Коммутаторные генераторы

Коммутаторные генераторы (или генераторы с
переключением потока) работают на принципе периодического изменения направления
магнитного по­тока в якоре за счет изменения геометрии магнитной цепи. Схема
генератора приведена на рисунке 12.

Рисунок
12 – Схема коммутаторного генератора

На статоре
разме­щаются призматические постоян­ные магниты 1, сердечники 2 из
магнитомягкой стали с полюсны­ми башмаками 3 и две якорные катушки 4. Магниты 1
охвачены высоко проводящими демпферными кольцами 5, защищающими их от
нестационарных размагничивающих эффектов. Ротор представля­ет собой звездочку 6
из магнитомягкой стали, являющуюся ком­мутатором потока. В положении на рис. 12
зубцы ротора располагаются напротив полюсных башмаков статора во вто­ром и
четвертом квадрантах, и поток Ф, создаваемый магни­тами, замыкается по пути с
минимальным воздушным зазором таким образом, что в сердечниках 2 он направлен
спра­ва налево. Когда ротор повернется на некоторый угол, зубцы ротора займут,
положение напротив полюсных башмаков статора в первом и третьем квадрантах и
направление потока в сердечниках 2 изменится на противоположное. При вращении
ротора это изменение потока в сердечниках 2 имеет периоди­ческий характер, и в
якорных катушках 4 наводятся переменные ЭДС.

Наряду с
магнитоэлектрическими коммутаторными гене­раторами могут исполь­зоваться
коммутаторные генераторы с электромагнитным или комбинированным возбуждением.

Достоинством
коммутаторных генераторов является про­стота конструкции, высокая надежность,
способность генери­ровать однофазный ток повышенной частоты. Однако для
получения трехфазного тока такие генераторы использовать практически невозможно.

Коммутаторные
генераторы могут выполняться на скорости вращения ротора до 60000 об/мин при
мощностях до ,5 кВА.

Однофазный мостовой выпрямитель (диодный мост)

Однофазный мостовой выпрямитель является двухполупериодным
выпрямителем. Существенно отличие такой схемы (от однополупериодной) заключается в том, что напряжение на нагрузку подается в каждый полупериод. Из-за удвоенного количества диодов ограничено его применение
при низких напряжениях. Трансформатор в такой схеме используется наиболее
полно.

Рис. 2 — Схема и принцип работы диодного моста

Как видно из приведенного рисунка в схеме задействовано четыре полупроводниковых выпрямительных элемента, которые соединены таким образом, что при каждом полупериоде работают только двое из них. Распишем подробно, как происходит процесс:

• На схему приходит переменное напряжение . Во время положительного полупериода образуется следующая цепь: VD4 – R – VD2. Соответственно, VD1 и VD3 находятся в запертом положении.
• Когда наступает очередность отрицательного полупериода, за счет того, что меняется полярность, образуется цепь: VD1 – R – VD3. В это время VD4 и VD2 заперты.
• На следующий период цикл повторяется.

Как видно по результату (рис. 2,б), в процессе задействовано оба полупериода и как бы не менялось напряжение на входе, через нагрузку оно идет в одном направлении. Такой принцип работы выпрямителя называется двухполупериодным.

Его преимущества очевидны:

• Поскольку задействованы в работе оба полупериода, существенно увеличивается КПД (практически вдвое).
• Пульсация на выходе мостовой схемы увеличивает частоту также вдвое (по сравнению с однополупериодным решением).
• Как видно из графика (рис. 2,б), между импульсами уменьшается уровень провалов, соответственно сгладить их фильтру будет значительно проще.
• Величина напряжения на выходе выпрямителя приблизительно такая же, как и на входе.

Помехи от мостовой схемы незначительны, и становятся еще меньше при использовании фильтрующей электролитической емкости. Благодаря этому такое решение можно использовать в блоках питания, практически, для любых радиолюбительских конструкций, в том числе и тех, где используется чувствительная электроника.

Заметим, совсем не обязательно использовать четыре выпрямительных полупроводниковых элемента, достаточно взять готовую сборку в пластиковом корпусе.

Рис. 3 — Диодный мост в виде сборки

Такой корпус имеет четыре вывода, два на вход и столько же на выход. Ножки, к которым подключается переменное напряжение, помечаются знаком «~» или буквами «AC». На выходе положительная ножка помечается символом «+», соответственно, отрицательная как «-».

На принципиальной схеме такую сборку принято обозначать в виде ромба, с расположенным внутри графическим отображением диода.

На вопрос что лучше использовать сборку или отдельные диоды нельзя ответить однозначно. По функциональности между ними нет никакой разницы. Но сборка более компактна. С другой стороны, при ее выходе из строя поможет только полная замена. Если же в этаком случае используются отдельные элементы, достаточно заменить вышедший из строя выпрямительный диод.

Классификация выпрямителей электрического тока и сферы их применения

Определение 1

Выпрямитель электрического тока – это устройство, которое предназначено для преобразования переменного электрического тока, поступающего на его вход, в постоянный электрический ток.

Выпрямители классифицируются по следующим признакам:

1. Вид переключателя выпрямляемого тока. По данному признаку выпрямители делятся на механические синхронные с контактным переключателем и щеточноколлекторным коммутатором, а также электронные с управляемой и пассивной коммутацией.
2. Мощность. По данному признаку выпрямители делятся на силовые и выпрямители сигналов.
3. Степень использования полупериода переменного тока. По данному признаку выпрямители делятся на одно — и двухпериодные, а также полно- и неполноволновые.
4. Схема выпрямления. По данному признаку выпрямители делятся на мостовые, трансформаторные и т.п.
5. Количество используемых фаз. По данному признаку выпрямители делятся на одно-, двух-, трех- и многофазные.
6. Тип электронного вентиля. По данному признаку выпрямители делятся на газотронные, ламповые диодные, полупроводниковые тиристорные и т.п.
7. Количество каналов. По данному признаку выпрямители делятся на одно- и многоканальные.
8. Управляемость. По данному признаку выпрямители делятся на управляемые и неуправляемые.
9. Способ соединения. По данному признаку выпрямители делятся на параллельные, последовательные и параллельно-последовательные.
10. Способ объединения. По данному признаку выпрямители делятся на объединенные кольцами или звездами, а также раздельные.

Выпрямительные установки широко используются для питания приводов прокатных станов, в железнодорожной тяге, в городском электротранспорте, в процессе электролиза. Выпрямители используются в блоках питания. Здесь их применение обусловлено тем, что в стандартных системах электроснабжения транспорта и зданий используется переменный ток. Нашли выпрямители свое применение также в составе электросиловых установок, сварочных аппаратах, вентильных блоках преобразовательных подстанций систем электроснабжения, а также в составе ректенн, которые в перспективе будут использоваться в системах беспроводной передачи электрической энергии, солнечных батареях и системах сбора энергии электромагнитных шумовых сигналов.

Генераторы постоянного тока

На автомобилях выпуска до 1960-х годов (например ГАЗ-51, ГАЗ-69, ГАЗ-М-20 «Победа» и многих других) устанавливались генераторы постоянного тока.

На полюсах генератора (находятся на статоре), выполненных из электротехнической стали, находится обмотка возбуждения. На якоре генератора — силовая обмотка, с которой электрический ток снимается посредством коллектора с щётками. Обмотка возбуждения и обмотка якоря соединены параллельно, в цепь обмотки возбуждения включен реле-регулятор.

Реле-регулятор состоит из трёх электромагнитных реле:

1. Стабилизатор напряжения (на электрических схемах сокращённо обозначается СН) уменьшает магнитный поток в обмотке возбуждения (на статоре); обмотка реле включена последовательно с обмоткой возбуждения. При повышении напряжения на генераторе выше расчётного предела (например более 14,5 вольт) электромагнитное реле срабатывает и последовательно обмотке возбуждения включается дополнительное сопротивление, ограничивающее ток возбуждения, уменьшается магнитный поток, и, следовательно, напряжение на генераторе уменьшится. При уменьшении напряжения ниже расчётного электромагнитное реле шунтирует дополнительное сопротивление, ток в обмотке возбуждения возрастает, возрастает магнитный поток и напряжение на генераторе повышается. Поскольку процесс протекает с большой частотой, напряжение в бортовой сети автомобиля остаётся почти постоянным.

2. Ограничитель тока (сокращённо ОТ) — электромагнитное реле, не позволяющее току генератора превышать расчётную величину. Обмотка ограничителя тока включена последовательно между генератором и потребителями. При достижении током расчётной силы, а значит и в обмотке ограничителя тока реле срабатывает и в цепь обмотки возбуждения включается дополнительное сопротивление, уменьшается ток возбуждения, уменьшается напряжение на генераторе, а следовательно, уменьшается ток, отдаваемый генератором. При отключении потребителей ограничитель тока поддерживает постоянную величину зарядного тока аккумуляторной батареи. При включении потребителей электроэнергии зарядный ток будет уменьшаться в зависимости от сопротивления нагрузки. При этом, если ток внешней цепи превышает максимально допускаемый ограничителем тока, то, кроме тока генератора, во внешнюю цепь пойдёт ток из аккумуляторной батареи, то есть батарея будет разряжаться.

Ограничитель тока и регулятор напряжения работают не одновременно. Пока ток, отдаваемый генератором не достигнет допускаемой максимальной величины, работает только регулятор напряжения. Когда ток генератора достигнет предельной величины, ограничитель тока включает дополнительное сопротивление, а регулятор напряжения перестаёт работать.

3. Реле обратного тока (сокращённо РОТ). При длительном прохождении тока из батареи через генератор могут перегреться обмотки, кроме того, бесполезно разряжается аккумулятор. Назначение реле обратного тока — автоматически отключать генератор от внешней цепи, когда его напряжение станет меньше напряжения батареи и включать генератор, как только напряжение генератора превысит расчётную величину.

Если на панели приборов установлена контрольная лампа работы генератора (зажигается при низком напряжении генератора, когда расходуется энергия аккумулятора) — устанавливается четвёртое реле (обычно выполняется в отдельном корпусе) — реле включения контрольной лампы.

В СССР серийно выпускались только вибрационные реле-регуляторы (с электромагнитными реле), в 1970-е — 1980-е годы отмечено появление радиолюбительских конструкций на полупроводниковых приборах (публиковались в журналах «Радио», «За рулём», «В помощь радиолюбителю».

Устройство и принцип работы

Устройство сварочного выпрямителя включает в себя несколько блоков, обеспечивающих выполнение рабочего процесса. Основные элементы агрегата следующие:

• понижающий трансформатор;
• диоды;
• охлаждающий модуль;
• измерительные приборы;
• регуляторы тока.

Принцип работы выпрямителя заключается в подаче перемененного тока на первичную обмотку понижающего трансформатора. За счет электромагнитной индукции на вторичной обмотке создается поток напряжения с уменьшенным значением V, и возросшей силой тока А. Холостой ход работы аппарата не должен превышать 48V.

Это напряжение поступает на диоды. В качестве последних используются кремниевые элементы. Диод является полупроводником, обеспечивающим прохождение тока только в одну сторону. Это устраняет колебание его частоты и в зону сварки подается уже постоянное напряжение.

Поскольку диоды при этом нагреваются, то рядом с ними располагаются радиаторы и вентилятор. Постоянный обдув холодным воздухом позволяет увеличить продолжительность активной работы устройства, без перерыва на охлаждение. Для контроля характеристик тока в систему устанавливаются амперметр и вольтметр. Многие модели снабжаются датчиком перегрева. При превышении показателей V срабатывает блок защиты, отключающий возможность сварки. Чтобы настраивать силу тока в соответствии с толщиной свариваемого соединения используется несколько видов регулировки.

Классификация по назначению и устройству

Разбираемся с электроизмерительными приборами

Выпрямители переменного тока разделяют на несколько различных видов, в зависимости от характеристик, использования периодов переменного тока, схем, по количеству фаз и типу пропускающего элемента. В общем виде классификация имеет следующий вид:

• По количеству периодов, задействованных в работе (одно,- и двухполупериодные, а также с полным и неполным использованием волны);
• По типажу устройства делят на включающие электронный мост, умножающие напряжение, с наличием или отсутствием трансформаторов;
• По количеству фаз разделяют на однофазные, двух, трех,- и N-фазные;
• Согласно типу устройства, пропускающего синусоиду, делят на полупроводниковые диодные и тиристорные, механические и вакуумные, ртутные;
• По виду пропускаемой волны делят на импульсные, аналоговые и цифровые.

Однополупериодный выпрямитель (четвертьмост)

Представляет собой простейшее устройство, преобразовывающее сигнал из переменного электрического тока в постоянный. Таким образом происходит сглаживание уровня сигнала. Схема построена на одном полупроводниковом вентиле (диоде). Редко применяется в промышленности, так как для питания автоматики и аппаратуры требуется добавление в цепь питания фильтров, которые бы сглаживали полуволну. Поэтому размеры и масса устройств на базе данного выпрямителя выходят слишком значительными. Не подходит к электрическому току с промышленной частотой сигнала в 50-60 Герц.

Такая схема выпрямителя используется в импульсных БП. Требуется для компьютерной техники и с высокой частотой сигнала – около 10 Герц. Также применяется в промышленности для выпрямления высокочастотного тока.

Устройство отличается следующими достоинствами:

• Высокая частота пульсация;
• Повышенная нагрузка на выпрямляющее устройство;
• Ухудшение работы трансформатора вследствие намагничивания;
• Невысокий показатель соотношения габаритов к мощности.

Достоинство – дешевизна.

Однополупериодный выпрямитель

Два четвертьмоста параллельно

Данная схема состоит из двух четвертьмостов с одним периодом, которые работают независимо один от одного, на одну мощность. Принцип работы заключается в распараллеливании полуволны на 2 части. При первом временном промежутке происходит на одну половину, затем через часть схемы.

Два полных моста последовательно

Это двухфазная схема, которая включает два последовательных диодных моста. При этом электродвижущая сила равняется удвоенной относительно полного моста с одной фазой. Относительно сопротивление увеличивается в 4 раза.

Двухполупериодный выпрямитель, мостовая схема

В таком устройстве диодные мосты подключается ко вторичной обмотке трансформирующего прибора. Полупроводниковые элементы работают попарно, каждый со своей очередностью, пропуская только положительную или отрицательную полуволну. Таким образом частота колебания мощности, которая была выпрямлена, вдвое выше частоты тока в сети.

Три полных моста параллельно (12 диодов)

Это менее распространенная схема, состоящая из 12 параллельно соединенных диодов. По большинству характеристик значительно превосходит другие выпрямители напряжения. При прохождении электрического тока через всю схему исходящее напряжение выходит без пульсаций.

Три полных моста последовательно

Последовательная схема с двенадцатью диодами представляет собой трехфазный выпрямитель тока. Сопротивление в ней эквивалентно трем диодным мостам, в каждом из которых уровень сопротивления равен 3R. Таким образом, общий уровень препятствия движению заряженных частиц приблизительно равен 9R. В то время как частота колебаний в 6 раз выше, чем такая же от поступающего сигнала. Достоинством такого выпрямителя является наибольшая средняя электродвижущая сила, поэтому он часто используется в источниках мощности с большим выходным напряжением.

Трехфазная схема выпрямления

Устройства с тремя входящими фазами являются достаточно распространенными. Они обрезают часть волны, за счет чего значительно снижают колебания. Наиболее популярна трехдиодная схема Миткевича и шестидиодная схема Ларионова.

Трехфазные выпрямители

Генераторы переменного тока: конструкция и принцип работы

Переменный ток промышленной частоты вырабатывается на электростанциях специально предназначенными для этих целей электромашинными синхронными генераторами. Принцип действия этих агрегатов основан на явлении электромагнитной индукции. Производимая паровой или гидравлической турбиной механическая энергия преобразовывается в электроэнергию переменного тока.

Вращающейся частью привода или ротором является электрический магнит, который и передает вырабатываемое магнитное поле на статор. Это – внешняя часть устройства, состоящая из трех катушек с проводами.

Передача напряжения осуществляется через коллекторные щетки и кольца. Медные роторные кольца вращаются одновременно с коленвалом и ротором, в результате чего к ним прижимаются щетки. Те, в свою очередь, остаются на месте, позволяя электротоку передаваться от неподвижных элементов генератора его вращающейся части.

Произведенное таким образом магнитное поле, вращаясь поперек статора, производит электропотоки, которые и осуществляют зарядку аккумулятора.

Однако для передачи импульса от генератора переменного тока к аккумулятору постоянного используется дополнительный диодный мост, который располагается в задней части устройства. Диод представляет собой деталь с двумя контактами, через которые в одном направлении проходит ток. А мост, как правило, состоит из 10 таких элементов.

Диоды делятся на две группы:

• Основные – необходимы для выпрямления напряжения и соединены с выводами статора.
• Дополнительные – направляют мощность на регулятор напряжения и контролирующую зарядку лампу.

Последняя крайне необходима в генераторе, потому что является контролирующим исправность привода контуром. Без лампы генератор переменного тока ни в коем случае не запустится на стандартных оборотах.

Для большего понимания, советуемпосмотреть популярные модели дизельных генераторов >>

Виды генераторов переменного тока

В зависимости от вырабатываемой энергии, генераторы подразделяются по мощности – на высокомощные и маломощные.

В быту наиболее оптимальными считается маломощное генераторное оборудование. Чаще всего, такие генераторы используют в качестве резервного электроснабжения. Также пользуются популярностью сварочные генераторы переменного тока.

Однако с бензиновыми моделями следует проявлять крайнюю осторожность, используя их только по назначению. Иначе их моторесурс значительно сокращается

Рекомендуем следующие модели генераторов переменного тока:

С целью создания автономного электроснабжения загородного участка, дома либо коттеджа в большинстве случаев применяется дизельный генератор.

Данный агрегат рассчитан на выполнение таких задач, которые соответствуют его моторесурсу и мощности.

Благодаря уникальным техническим характеристикам дизельгенераторы могут работать без перерывов в течение нескольких лет, что также положительно влияет на популярность этого оборудования.

Опции и дополнительные возможности

Значительное влияние на цену оказывают опции. Хоть генераторы «с наворотами» стоят дороже, некоторые из дополнительных возможностей могут быть очень полезны. Например:

• Защита от утечки. Встроенное УЗО, которое отслеживает наличие пробоя изоляции и отключает установку при появлении тока утечки.
• Защита от перегрузки. Функция не даёт работать деталям «на износ».
• Автоматический запуск. При пропадании электроэнергии генератор запускается сам.

Использование может быть разным

Есть ещё такие, без которых можно обойтись, но делающие эксплуатацию генератора тока более удобной. Например, контроль параметров с одновременным отображением на дисплее или передача данных о состоянии генератора на подключённый компьютер. Ещё, может быть, целый ряд конструктивных «добавок»: шумогасящий кожух, защитный кожух от низких температур, увеличенный топливный бак и т. д.

Принцип работы выпрямителей сигналов

Блок питания для шуруповерта 12в своими руками

Что такое выпрямитель? Устройство работает за счет свойств полупроводниковых радиоэлементов по пропусканию тока исключительно от анода к катоду. Поэтому при прохождении через устройство синусоиды переменного тока происходит обрезка отрицательной части волны. Таким образом на выходе радиоэлемента остается только положительная полуволна. Электрический ток подобного типа называется однополупериодным с пульсациями. От анода к катоду проходит сигнал только ½ всего времени. Колебания происходят от нуля до максимального значения.

Строение двухполупериодных устройств базируется на мосту из четырех вентилей, которые приводят к попаданию всех полуволн. При этом отрицательная полуволна инвертируется. Фактически строение двухполупериодных выпрямителей аналогично двум или более однополупериодным с катодами, направленными один на другой.

Заключение

1. Особенностью неуправляемых трехфазных выпрямителей, мощностью от 30 до 250 кВт, используемых в качестве источников тока для тиристорных преобразователей частоты, является применение дросселей с небольшой индуктивностью — 3–5 мГн.
2. Схемотехническое моделирование электромагнитных процессов в выпрямителе позволяет провести анализ влияния индуктивностей, активных сопротивлений питающей сети и параметров силовых полупроводниковых вентилей на длительность коммутации вентилей и, следовательно, на «жесткость» нагрузочной характеристики выпрямителя.
3. Определение коэффициента мощности для активно-индуктивной нагрузки, подключенной к питающей сети через неуправляемый выпрямитель, практически не имеет смысла.
4. Для эффективного применения и обеспечения селективности защиты неуправляемых выпрямителей в тиристорных преобразователях повышенной частоты необходим быстродействующий бесконтактный выключатель.