Генератор альтернатор что это такое
У синхронного генератора (IP23) на якоре имеются обмотки, на которые подается электрический ток. Изменяя его величину, можно влиять на магнитное поле, а следовательно, и на напряжение на выходе статорных обмоток. Роль регулятора прекрасно исполняет простейшая электрическая схема с обратной связью по току и напряжению. Благодаря этому способность синхронного альтернатора «проглатывать» кратковременные перегрузки высока и ограничена лишь омическим (активным) сопротивлением его обмоток, т.е. легче переносят пусковые нагрузки.
Однако у такой схемы есть и недостатки. Прежде всего, ток приходится подавать на вращающийся ротор, для чего традиционно используют щеточный узел. Работая с довольно большими (особенно во время перегрузок) токами, щетки перегреваются и частично «выгорают». Это приводит к плохому их прилеганию к коллектору, к повышению омического сопротивления и к дальнейшему перегреву узла. Кроме того, подвижный контакт неизбежно искрит, а значит, становиться источником радиопомех. И самый основной недостаток низкая степень защиты от внешних воздействий таких как: пыль, грязь, вода, т.к. синхронный генератор охлаждается «протягивая» через себя воздух, соответственно все что находится в воздухе может попадать в генератор.
Если генератор щёточный, чтобы избежать преждевременного износа, рекомендуется время от времени контролировать состояние щеточного узла и при необходимости очищать либо менять щетки. Кстати, после их заменены, желательно дать им время «приработаться» к коллектору, а уж за тем нагружать станцию «по полной программе».
Многие современные синхронные генераторы снабжены безщеточными системами возбуждения тока на катушках ротора (их еще называют brash-less). Они лишены вышеуказанных недостатков связанных с щёточным узлом, а потому предпочтительнее.
для трёхфазных синхронных генераторов допустимый перекос фаз 33%
коэффициент нелинейных искажений 13-25% (в зависимости от производителя)
Асинхронный генератор (IP54) вообще не имеет обмоток на роторе. Для возбуждения ЭДС в его выходной цепи используют остаточную намагниченность якоря. Конструктивно такой альтернатор намного проще, надежнее и долговечнее. Кроме того, поскольку обмотки ротора охлаждать не нужно (их просто нет), корпус асинхронного генератора полностью закрыт, что позволяет исключить попадание пыли и влаги. Асинхронные альтернаторы не восприимчивы к коротким замыканиям, поэтому лучше подходят для питания сварочных аппаратов.
К сожалению у асинхронников тоже есть недостатки, например способность «проглатывать» пусковые перегрузки у них ниже, чем у синхронных генераторов. Но этот недостаток решается путем оснащения станций системой «стартового усиления». (см. выше). Как правило все профессиональные асинхронные генераторы оснащены системой стартового усиления.
для трёхфазных асинхронных генераторов допустимый перекос фаз 60-70%
коэффициент нелинейных искажений 2-10% (в зависимости от производителя)
Зачем нужны непонятные три фазы, когда и с одной-то не разберешься? Но в том то и дело, что без них никуда. Начнем с того, что трех фазная схема подключения позволяет передавать энергию трех однофазных источников всего по трем проводам (в случае однофазной схемы потребовалось бы выделить по два провода на каждый такой источник).
А вот при подключении к трехфазникам однофазных потребителей возникает проблема, именуемая перекосом фаз.
Что такое перекос фаз?
При подключении нагрузки на одну фазу трехфазного альтернатора используется только одна обмотка статора, в то время как в нормальном режиме задействованы все три, соответственно, реально снять получиться не более чем 33% трехфазной мощности для синхронных IP23, или порядка 70-80% для асинхронных IP54 и синхронных IP54 (High Protection). Если попробовать нагрузить агрегат сильнее, статорная обмотка окажется перегруженной и может «сгореть».
Кратко подытожить выбор типа генератора можно так:
Инверторный электрогенератор: идеальная синусоида напряжения
Содержание
Содержание
Инверторные электрогенераторы завоевывают все большую популярность. Оно и понятно — их ассортимент увеличивается, а стоимость приближается к обычным генераторам. Об их преимуществах над классическими наслышаны многие, кто хоть немного интересовался автономными электростанциями. Так в чем же заключаются их достоинства и насколько они хороши на самом деле?
Инверторный электрогенератор — что это?
В основе электрогенераторов положен принцип выработки электрической энергии за счет преобразования механической энергии двигателя внутреннего сгорания в электрическую путем вращения генератора переменного тока — альтернатора.
В бытовых моделях чаще всего применяют синхронные генераторы переменного тока. Генератор состоит из статора и ротора. На статоре расположены обмотки, с которых снимается вырабатываемое генератором переменное напряжение. На роторе же — несколько полюсов с магнитами. Это могут быть как электромагниты, так и постоянные магниты, например, мощные неодимовые. Ротор вращается, создавая переменное магнитное поле, которое пронизывает обмотку статора, в результате чего в последней появляется электродвижущая сила, или, проще говоря, напряжение.
Схема классического электрогенераторабез инверторной технологии
Что же такое инверторные электростанции? Инвертор — это электронное устройство, предназначенное для преобразования постоянного тока в переменный. Таким образом, в инверторных электростанциях выходное переменное напряжение получают не напрямую от генератора переменного тока, а от инверторного преобразователя. Но пытливый читатель, вероятно, заметил, что инвертор преобразует постоянный ток в переменный. А где же его взять, если с обмоток статора снимается переменное напряжение? Все правильно, от генератора переменного тока получается переменное напряжение. Для получения же постоянного напряжения используют выпрямители.
Схема электрогенератора с использованиемнезависимого формирователя выходного напряжения
Если в электростанции отсутствует инверторный преобразователь (далее будем называть такие электростанции классическими), то необходимое напряжение снимается напрямую с обмоток статора.
Зачем же так все усложнять, если можно просто подключить необходимое электрооборудование к обмотке статора генератора переменного тока и завести двигатель. На то есть, как минимум, три веские причины:
Думается, что эти причины стоят того, что бы немного заморочиться. Начнем с самого важного — характеристик переменного напряжения, требуемого для питания электроприборов.
Характеристики переменного напряжения
Какими же характеристиками должен обладать электрический ток, получаемый от автономной электростанции?
Пойдем простым логическим путем — если к электростанции планируется подключать бытовые электроприборы, то электрическое напряжение, получаемое от автономной электростанции, должно иметь те же характеристики, что и напряжение в обычной розетке.
Согласно ГОСТ 32144-2013 «Нормы качества электроэнергии в системах электроснабжения общего назначения», основные характеристики напряжения в бытовой электросети должны удовлетворять следующим значениям:
Форма напряжения должна быть синусоидальной с минимальными искажениями. «Качество» синуса определяется уровнем гармонических искажений.
Допустимый уровень гармонических искажений по напряжению не должен превышать 8 %. Зачастую именно искажения формы напряжения, которую выдают автономные электростанции, является причиной плохой работы, а то и вовсе неработоспособности подключаемого электрооборудования.
Синусоидальный сигнал «высокого качества» можно посмотреть на экране осциллографа, подключив его к выходу специального генератора сигналов, который предназначен для тестирования различных устройств.
Синусоидальный сигнал частотой 50 Гц на экране осциллографа Hantek DSO5202P, полученный со специального генератора сигналов
Можно оценить и частотный спектр этого сигнала. Например, используя программу SpectraPlus и звуковую карту Sound Blaster X-Fi Xtreme Audio SB0790, можно получить вот такой график и значение коэффициента гармоник, которое в данном случае не превышает 0,03 %.
Частотный спектр сигнала, полученного со специального генератора
С точки зрения ценителей хорошего звука данную форму напряжения нельзя назвать идеальной, а вот инженер-электрик наверняка посчитает такую форму напряжения образцовой.
Некоторые электронные приборы и электрооборудование допускают электропитание с худшими характеристиками, чем указано в ГОСТе, но если требуется «универсальный» электрогенератор, к которому можно было бы подключать любые устройства, не задумываясь о последствиях, то характеристики его напряжения должны быть максимально приближены к требованиям ГОСТа.
А что творится в обычной розетке?
Чтобы понимать, о чем идет речь и какие в реальности основные параметры напряжения в бытовой электросети, были проведены их измерения.
Форма напряжения частотой 50 Гц в бытовой электросети
Спектр напряжения в бытовой электросети
По результатам измерений коэффициент гармоник (уровень гармонических искажений) по напряжению в бытовой электросети составил около 3.4 %, что полностью укладывается в требования ГОСТа. Изменения напряжения в течение двух часов не превышали допуски, указанные в ГОСТ.
Изменение напряжения в бытовой электросети в течение двух часов
Изменения частоты напряжения в бытовой электросети минимальны и не превышают 0,05 Гц.
Изменение частоты напряжения в бытовой электросети в течение 1 часа
Такая точность необходима в большей степени для синхронизации промышленных электрогенераторов, установленных на ТЭЦ, ГЭС, АЭС и прочих электростанциях. Для бытовых потребителей электроэнергии такая точность, как правило, избыточна. Поэтому в ГОСТе отдельно указаны допуски на отклонение частоты для автономных систем электроснабжения, значения которых составляют ±5 Гц.
С качеством электрической энергии разобрались, вернемся к электрогенераторам.
Классическая автономная электростанция
Для того, чтобы получить напряжение с требуемыми характеристиками, в классической электростанции необходимо выполнить несколько условий.
У синхронных генераторов частота выходного напряжения пропорциональна частоте вращения ротора. Если вращать ротор со скоростью 1500 оборотов в минуту, то на выходе получим напряжение частотой 50 Гц. При этом ротор должен быть двухполюсным, то есть иметь два магнита, закрепленных на противоположных сторонах оси ротора. Для двигателя внутреннего сгорания 1500 об/мин — это оптимальное значение, поэтому ось ротора напрямую соединяется с осью коленчатого вала двигателя. Теперь требуется тщательно следить за оборотами двигателя и поддерживать их на заданном уровне для обеспечения стабильной частоты получаемого переменного напряжения.
Нужную частоту получили, теперь разберемся с напряжением на выходе. Альтернатор, по сути, является источником тока, а не напряжения, поэтому выходное напряжение при условии постоянства оборотов будет зависеть от величины нагрузки. Чем больше нагрузка, тем меньше напряжение.
А еще выходное напряжение зависит от величины вращающегося магнитного поля, которое создают магниты на роторе. Силу магнитного поля можно менять, если установить на роторе электромагниты. Теперь, меняя ток в обмотках электромагнитов, можно регулировать выходное напряжение альтернатора. Так как ротор вращается, то для подачи тока в его обмотки применяют скользящие контакты — щетки. Устройство, которое поддерживает выходное напряжение генератора на уровне 220–230 В путем непрерывной регулировки тока в обмотках ротора, называется автоматическим регулятором напряжения (automatic voltage regulator — AVR). Без AVR синхронные генераторы в автономных электростанциях не применяются. Данные устройства чаще всего устанавливаются в корпусе альтернатора и выглядят примерно так.
Автоматический регулятор напряжения (AVR)
А вот так выглядит типичный альтернатор, установленный на классической автономной электростанции.
Типичный синхронный альтернатор мощностью 2,2 кВт. Сверху со снятой задней крышкой и демонтированным AVR, снизу вид сбоку с ориентировочными размерами
Как видно на фото, конструкция довольно громоздкая. Альтернатор сопоставим по размерам с применяемым двигателем внутреннего сгорания. При частоте выходного напряжения в 50 Гц и используемому принципу поддержания выходного напряжения на должном уровне уменьшить габариты альтернатора практически не возможно.
Характеристики напряжения в классическом электрогенераторе
Форма выходного напряжения классической автономной электростанции номинальной мощностью 2.2 кВт показана на трех осциллограммах ниже при мощностях нагрузки в 100 Вт, 900 Вт и 1700 Вт соответственно.
Нагрузка 100 Вт Нагрузка 900 Вт Нагрузка 1700 Вт
Форма выходного напряжения на выходе классической автономной электростанции номинальной мощностью 2.2 кВт
Нетрудно заметить, что форма напряжения отличается от «идеальной» синусоиды. Частотные спектры сигналов и значения коэффициента гармоник показаны ниже на графиках.
Нагрузка 100 Вт Нагрузка 900 Вт
При мощностях нагрузки 900 и 1700 Вт коэффициент гармоник превышает требования ГОСТа.
Далее показана зависимость выходного напряжения от величины нагрузки.
Зависимость выходного напряжения от величины нагрузки
Что интересно, при увеличении нагрузки выходное напряжение генератора даже немного повышается. Это особенности работы AVR. В целом значение выходного напряжения достаточно стабильно. Тут некоторую озабоченность вызывают кратковременные всплески напряжения в моменты подключения нагрузки. Особенно это заметно, если к ненагруженному генератору сразу подключить довольно мощную нагрузку. В данном случае в момент подключении к генератору нагрузки в 1700 Вт сразу наблюдается провал напряжения на 9-10 вольт, затем кратковременный подъем на 11-12 вольт. Это результат работы системы AVR и системы автоматического поддержания оборотов двигателя, которые имеют естественную инерционность и не могут мгновенно производить регулировку.
А вот так меняется частота выходного напряжения при подключении нагрузки разной мощности.
Зависимость частоты выходного напряжения от величины нагрузки
При работе электростанции без нагрузки или при малой нагрузке частота напряжения немного завышена относительно номинального значения (50 Гц), это сделано умышлено, так как при номинальной нагрузке обороты двигателя в любом случае упадут даже при задействованной автоматической регулировке оборотов. А для электрооборудования незначительное повышение частоты питающего напряжения менее вредно, чем ее понижение, в особенности для устройств с трансформаторным питанием. При снижении частоты у трансформаторов увеличивается ток холостого хода, а значит и нагрев.
Как бы то ни было, характеристики напряжения исследуемой классической электростанции вполне удовлетворяют требованиям ГОСТа, за исключением гармонических искажений выходного напряжения. Но для большинства оборудования это вполне допустимо.
Инверторная автономная электростанция
В инверторных электростанциях тоже используется синхронный генератор переменного тока. Но его конструкция отличается от тех, которые используются в классических электростанциях.
Какие же требования предъявляются к генератору переменного тока инверторной электростанции, чтобы получить напряжение с требуемыми характеристиками? А требования эти очень лояльные, так как формированием нужных характеристик выходного напряжения занимается инверторный преобразователь, а не альтернатор. В этом и кроется ключевое отличие инверторных электростанций от классических.
Самое интересное заключается в том, что становится не важно, какая частота напряжения будет на выходе альтернатора, так как напряжение будет преобразовано в постоянное, а у него частота как параметр отсутствует в принципе. Это дает возможность применения многополюсного генератора с внешним ротором, обмотки которого работают на повышенной частоте (примерно 400–600 Гц).
Отпадает необходимость в роторе с обмоткой для создания электромагнита. Блок AVR тоже становится лишним. Ведь уровень напряжения, необходимый для питания инвертора можно регулировать, изменяя обороты двигателя. Поэтому на роторе можно установить постоянные магниты. Все эти конструктивные особенности значительно уменьшают размеры и вес альтернатора.
Синхронный многополюсный альтернатор с внешним ротором на постоянных магнитах мощностью 1,25 кВт
Показанная на фото инверторная электростанция имеет в составе два многополюсных генератора переменного тока, которые установлены по обе стороны коленчатого вала. В результате параллельной работы двух альтернаторов номинальная мощность электростанции составляет 2,5 кВт.
А вот так выглядит типичный блок формирователя выходного напряжения, в составе которого установлен выпрямитель и, собственно, инвертор. Размеры данного блока 175х130х80 мм.
Характеристики напряжения инверторного электрогенератора
Форма выходного напряжения инверторной электростанции номинальной мощностью 2 кВт показана на трех осциллограммах ниже при мощностях нагрузки в 100 Вт, 900 Вт и 1700 Вт соответственно.
Форма выходного напряжения на выходе инверторной электростанции номинальной мощностью 2 кВт
Форма напряжения близка к «идеальной» синусоиде. Измерения коэффициента гармоник показали отличные результаты. Уровень искажений меньше, чем в бытовой электросети и в несколько раз меньше требований ГОСТа.
Нагрузка 100 Вт Нагрузка 900 Вт
Уровень гармоник выходного напряжения инверторной электростанциипри разных величинах нагрузки
Далее показана зависимость выходного напряжения от подключаемой нагрузки.
Зависимость выходного напряжения от величины нагрузки
При увеличении нагрузки напряжение уменьшается, но незначительно. Наблюдаются провалы напряжения в моменты подключения нагрузки. Более всего это заметно при резком увеличении нагрузки с нуля. Такие провалы объясняются конкретными схемотехническими решениями при разработке инвертора и в разных реализациях могут отличаться по величине.
А вот если посмотреть на график частоты выходного напряжения от нагрузки, то увидим ровненькую горизонтальную линию. При этом нагрузка к генератору подключалась аналогично предыдущему графику. Такие стабильные параметры являются следствием того, что инверторный преобразователь имеет свой собственный задающий электронный генератор, и его частота никак не зависит от оборотов двигателя.
Параметры напряжения инверторной электростанции полностью удовлетворяют требованиям ГОСТа. Отличительной особенностью являются малые гармонические искажения выходного напряжения и высокая стабильность частоты.
В каждой бочке бывает ложка…
Нельзя не отметить одну особенность инвертора, которой пользуются производители, чтобы удешевить его конструкцию. Дело в том, что по определению инвертор — это устройство, которое преобразует постоянное напряжение в переменное. При этом речь не идет о форме этого переменного напряжения. Синусоидальную форму выходного напряжения чисто технически получить несколько сложнее, чем прямоугольную. В результате некоторые производители устанавливают на свои электростанции инверторы, которые вместо синуса дают прямоугольные импульсы частотой 50 Гц, при этом их ширина и амплитуда подобраны таким образом, что дают среднеквадратическое значение напряжения как раз в 220–230 В. Все это называют ступенчатой аппроксимацией синусоиды. Ниже показана форма выходного напряжения инверторной электростанции с выходным напряжением в виде как раз той самой ступенчатой аппроксимации.
Форма выходного напряжения инверторной электростанции со ступенчатой аппроксимацией синусоиды
Да, некоторое оборудование вполне сносно переваривает такую форму напряжения, но называть такую электростанцию универсальной для питания любого электрооборудования было бы опрометчиво. Сложно гарантировать стабильную и безотказную работу оборудования, подключенного к такому электрогенератору. Либо надо знать, что подключаемое оборудование допускает работу от напряжения такой формы.
К сожалению, производители зачастую умалчивают об этом параметре, но зато громко заявляют, если их изделие выдает «чистый» синус.
Что в итоге?
Основным преимуществом инверторных электростанций является малый вес и габариты. В среднем инверторная электростанция в 1,5-2 раза легче и меньше классической. Такие показатели удалось достичь благодаря применению многополюсного генератора переменного тока с внешним ротором на постоянных магнитах и работающего на повышенной частоте. А применяется такой генератор как раз из-за независимого формирователя выходного напряжения — инвертора. Ко всему прочему все эти технические решения увеличивают КПД электрогенератора, что уменьшает потребление горючего двигателем.
Что касается качества выходного напряжения, то тут неоспоримым преимуществом инвертора по сравнению с классической электростанцией является низкий уровень искажений формы выходного напряжения. На выходе практически идеальная синусоида (если, конечно, не попался инвертор с аппроксимацией). Тоже можно сказать и о стабильности частоты. Такие параметры позволяют использовать инверторную электростанцию для питания любого оборудования, не опасаясь негативных последствий.
Стабильность напряжения инверторной электростанции ничем не выделяется на фоне этого же параметра классического электрогенератора. И у того, и другого устройства этот параметр находится на должном уровне и зависит от применяемых решений при разработке и изготовлении AVR или инвертора.