Принцип действия и устройство генератора переменного тока


принцип работы, устройство, назначение генератора

Люди пользуются энергией электрического тока практически во всех сферах своей деятельности. Сейчас нелегко представить жизнь без электричества, которое с помощью специального оборудования преобразуется из механической энергии. Рассмотрим подробнее, как происходит этот процесс, и как устроены современные генераторы.

Превращение механической энергии в электрическую

Любой генератор работает по принципу магнитной индукции. Самый простой генератор переменного тока можно представить, как катушку, которая вращается в магнитном поле. Также есть вариант, при котором катушка остается неподвижной, но магнитное поле только её пересекает. Именно во время этого движения и вырабатывается переменный ток. По такому принципу функционирует огромное количество генераторов во всем мире, объединенных в систему электроснабжения.

Устройство и конструкция генератора переменного тока

Стандартный электрогенератор имеет следующие компоненты:

  • Раму, к которой закреплен статор с электромагнитными полюсами. Изготовлена она из металла и должна выполнять защитную функцию всех элементов механизма.
  • Статор, к которому крепится обмотка. Изготавливается он из ферромагнитной стали.
  • Ротор – подвижный элемент, на сердечнике которого располагается обмотка, образующая электрический ток.
  • Узел коммутации, который отводит электричество с ротора. Представляет собой систему подвижных токопроводящих колец.

В зависимости от назначения, генератор имеет определенные особенности конструкции, но существуют два компонента, которыми обладает любое устройство, конвертирующее механическую энергию в электричество:

  1. Ротор – подвижная цельная деталь из железа;
  2. Статор – неподвижный элемент, который изготовлен из железных листов. Внутри него есть пазы, внутри которых располагается проволочная обмотка.

Для получения большей магнитной индукции, между этими элементами должно быть небольшое расстояние. По своей конструкции генераторы бывают:

  • С подвижным якорем и статическим магнитным полем.
  • С неподвижным якорем и вращающимся магнитным полем.

В настоящее время более распространено оборудование с вращающимися магнитными полями, т.к. значительно удобнее снимать электрический ток со статора, чем с ротора. Устройство генератора имеет немало сходств с конструкцией электродвигателя.

Схема генератора переменного тока

Принцип работы электрогенератора: в тот момент, когда половина обмотки находится на одном из полюсов, а другая на противоположном, ток движется по цепи от минимального до максимального значения и обратно.

Классификация и виды агрегатов

Все электрогенераторы можно распределить по критерию работы и по типу топлива, из которого и образуется электроэнергия. Все генераторы делятся на однофазные (выход напряжения 220 Вольт, частота 50 Гц) и трехфазные (380 Вольт с частотой 50 Гц), а также по принципу работы и типу топлива, которое конвертируется в электричество. Ещё генераторы могут использоваться в разных сферах, что определяет их технические характеристики.

По принципу работы

Разделяют асинхронные и синхронные генераторы переменного тока.

Асинхронный

У асинхронных электрогенераторов нет точной зависимости ЭДС от частоты вращения ротора, но здесь работает такой термин, как «скольжение S». Оно определяет эту разницу. Величина скольжения вычисляется, поэтому некоторое влияние элементов генератора в электромеханическом процессе асинхронного двигателя все же есть.

Синхронный

Такой генератор обладает физической зависимостью от вращательного движения ротора к генерируемой частоте электроэнергии. В таком устройстве ротор является электромагнитом, состоящим из сердечников, обмоток и полюсов. Статором являются катушки, которые соединены по принципу звезды, и имеющими общую точку – ноль. Именно в них вырабатывается электрический ток.
Ротор приводит в движение посторонняя сила подвижных элементов (турбин), которые двигаются синхронно. Возбуждение такого генератора переменного тока может быть, как контактным, так и бесконтактным.

По типу топлива двигателя

Удаленность от электросети с появлением генераторов больше не становится препятствием для пользования электроприборами.

Газовый генератор

В качестве топлива здесь используется газ, во время сгорания которого и вырабатывается механическая энергия, которая затем заменяется электрическим током. Преимущества использования газогенератора:

  • Безопасность для окружающей среды, ведь газ при сгорании не выделяет вредных элементов, копоти и токсичных продуктов распада;
  • Экономически это очень выгодно – сжигать дешевый газ. В сравнении с бензином, это обойдется значительно дешевле;
  • Подача топлива осуществляется автоматически. Бензин и дизельное топливо требуется по мере необходимости подливать, а газовый генератор обычно подключают к системе газоснабжения;
  • Благодаря автоматике, аппарат приходит в действие самостоятельно, но для этого он должен располагаться в теплом помещении.
Дизельный генератор

Эту категорию составляют преимущественно однофазные агрегаты мощностью 5 кВт. 220 Вольт и частота 50 Гц являются стандартными для бытовой техники, поэтому дизельный аппарат неплохо справляется со стандартной нагрузкой. Как можно догадаться, для его работы требуется дизельное топливо. Почему стоит выбрать именно дизельный электрогенератор:

  • Относительная дешевизна топлива;
  • Автоматика, позволяющая автоматически запускать генератор при прекращении подачи электрического тока;
  • Высокий уровень противопожарной безопасности;
  • В течении длительного периода времени агрегат на дизеле способен проработать без сбоев;
  • Внушительная долговечность – некоторые модели способны работать в общей сумме 4 года непрерывной эксплуатации.
Бензогенератор

Такие аппараты довольно востребованы как бытовое оборудование. Несмотря на то, что бензин дороже газа и дизеля, такие генераторы имеют немало сильных сторон:

  • Малые габариты при высокой мощности;
  • Просты в эксплуатации: большинство моделей можно запустить вручную, а более мощные генераторы оснащены стартером. Регулируется напряжение под определенную нагрузку при помощи специального винта;
  • В случае перегрузки генератора автоматически срабатывает защита;
  • Просты в обслуживании и ремонте;
  • Во время работы не издают много шума;
  • Можно применять и в помещении, и на улице, но следует защищать от попадания влаги.

Основные сферы применения

В зависимости от того, где используется электрогенератор, определяются его технические характеристики. Главным образом, отношения генератора к определенной категории по области применения, определяет его мощность. Разделяют следующие разновидности оборудования по сферам эксплуатации:

  • Бытовые. Обладают мощностью от 0,7 до 25 кВт. Обычно к этой категории относятся бензиновые и дизельные генераторы. Применяются для электроснабжения бытовых электроприборов и оборудования малой мощности, очень часто на строительных площадках. Сгодятся в качестве портативного источника электроэнергии при выезде на природу;
  • Профессиональные. Могут применяться в качестве постоянного источника электроэнергии в муниципальных учреждениях и мелких производственных предприятиях. Его мощность не превышает 100 кВт;
  • Промышленные. Могут эксплуатироваться на крупных фабриках и заводах, где требуется высокомощное оборудование. Такие аппараты обладают мощностью более 100 кВт, имеют немалые габариты и сложны в техническом обслуживании для неподготовленного человека.

Устройство Генератора Переменного Тока и Принцип Действия

Мощный тяговый генератор переменного тока – строение

Здравствуйте, ценители мира электрики и электроники. Если вы частенько заглядываете на наш сайт, то наверняка помните, что совсем недавно у нас вышел достаточно объемный материал про то, как устроен и работает генератор постоянного тока. Мы подробно описали его строение от самых простых лабораторных прототипов, до современных рабочих агрегатов. Обязательно почитайте, если еще этого не сделали.

Сегодня мы разовьем эту тему, и разберемся, в чем заключается принцип действия генератора переменного тока. Поговорим о сферах его применения, разновидностях и много еще о чем.

Теоретическая часть

Основной принцип работы альтернатора

Начнем с самого основного – переменный ток отличается от постоянного тем, что он с некоторой периодичностью меняет свое направление движения. Также он меняет и величину, о чем мы подробнее поговорим далее.

Спустя определенный промежуток времени, который мы назовем «Т» значения параметров тока повторяются, что на графике можно изобразить в виде синусоиды – волнистой линии, проходящей с одинаковой амплитудой через центральную линию.

Базовые принципы

Итак, назначение и устройство генераторов переменного тока, называемого раньше альтернатором, заключается в преобразовании кинетической энергии, то есть механической, в электрическую. Подавляющее большинство современных генераторов используют вращающееся магнитное поле.

  • Работают такие устройства за счет электромагнитной индукции, когда при вращении в магнитном поле катушки из токопроводящего материала (обычно медная проволока), в ней возникает электродвижущая сила (ЭДС).
  • Ток начинает образовываться в тот момент, когда проводники начинают пересекать магнитные линии силового поля.

Строение простейшего электромагнитного генератора

  • Причем пиковое значение ЭДС в проводнике достигается при прохождении им главных полюсов магнитного поля. В те моменты, когда они скользят вдоль силовых линий, индукция не возникает и ЭДС падает до нуля. Взгляните на любую схему из представленных – первое состояние будет наблюдаться, когда рамка примет вертикальное положение, а второе – когда горизонтальное.

Генератор переменного тока — как устроен

  • Для лучшего понимания протекающих процессов нужно вспомнить правило правой руки, изучавшееся всеми в школе, но мало кем помнящееся. Суть его заключается в том, что если расположить правую руку так, чтобы силовые линии магнитного поля входили в нее со стороны ладони, большой палец, отведенный в сторону, укажет направление движения проводника, а остальные пальцы будут указывать на направление возникающей в нем ЭДС.
  • Взгляните на схему выше, положение «а». В этот момент ЭДС в рамке равно нулю. Стрелочками показано направление ее движения – часть рамки А двигается в сторону северного полюса магнита, а Б – южного, достигнув которых ЭДС будет максимальным. Применяя описанное выше правило правой руки, мы видим, что ток начинает течь в части «Б» в нашу сторону, а в части «А» – от нас.
  • Рамка вращается дальше и ток в цепи начинает падать, пока рамка снова не займет горизонтальное положение (в).
  • Дальнейшее вращение приводит к тому, что ток начинает течь в обратном направлении, так как части рамки поменялись местами, если сравнивать с начальным положением.

Спустя половину оборота, все снова вернется в изначальное состояние, и цикл повторится снова. В итоге мы получили, что за время совершения полного оборота рамки, ток дважды возрастал до максимума и падал до нуля, и единожды менял свое направление относительно нчального движения.

Переменный ток

В его честь была названа частота тока

Принято считать, что длительность периода обращения равняется 1 секунде, а число периодов «Т» является частотой электрического тока. В стандартных электрических сетях России и Европы за одну секунду ток меняет свое направление 50 раз – 50 периодов в секунду.

Обозначают в электронике один такой период особой единицей, названной в честь немецкого физика Г. Герца. То есть в приведенном примере российских сетей частота тока составляет 50 герц.

Вообще, переменный ток нашел очень широкое применение в электронике благодаря тому, что: величину его напряжения очень просто изменять при помощи трансформаторов, не имеющих движущихся частей; его всегда можно преобразовать в постоянный ток; устройство таких генераторов намного надежнее и проще, чем для выработки постоянного тока.

Мощнейшие генераторы, установленные на Пушкинской ГЭС

Строение генератора переменного тока

Как устроен генератор переменного тока, в принципе, понятно, но вот, сравнивая его с собратом для выработки постоянного, не сразу можно уловить разницу.

Основные рабочие части и их подключение

Если вы прочли предыдущий материал, то наверняка помните, что рамка в простейшей схеме была соединена с коллектором, разделенным на изолированные контактные пластины,  а тот, в свою очередь, был связан со щетками, скользящими по нему, через которые и была подключена внешняя цепь.

За счет того, что пластины коллектора постоянно меняются щетками, не происходит смены направления тока – он просто пульсирует, двигаясь в одном направлении, то есть коллектор является выпрямителем.

Устройство и принцип действия генератора переменного тока

  • Для переменного тока такого приспособления не нужно, поэтому его заменяют контактные кольца, к которым привязаны концы рамки. Вся конструкция вместе вращается вокруг центральной оси. К кольцам примыкают щетки, которые также по ним скользят, обеспечивая постоянный контакт.
  • Как и в случае с постоянным током, ЭДС, возникающие в разных частях рамки, будут суммироваться, образуя результирующее значение этого параметра. При этом во внешней цепи, подключенной через щетки (если подсоединить к ней резистор нагрузки RH), будет протекать электрический ток.
  • В рассмотренном выше примере «Т» равняется полному обороту рамки. Отсюда можно сделать логичный вывод, что частота тока, вырабатываемая генератором, напрямую зависит от скорости вращения якоря (рамки), или другими словами ротора, в секунду. Однако это касается только такого простейшего генератора.

Трехфазные генераторы переменного тока и устройство их

Если увеличить число пар полюсов, то в генераторе пропорционально возрастет и число полных изменений тока за один оборот якоря, и частота его будет измерять иначе, по формуле: f = np, где f – это частота, n – число оборотов в секунду, p – количество пар магнитных полюсов устройства.

  • Как мы уже писали выше, течение переменного тока графически изображается синусоидой, поэтому такой ток еще называется и синусоидальным. Сразу можно выделить основные условия, задающие постоянство характеристик такого тока – это равномерность магнитного поля (постоянная его величина) и неизменная скорость вращения якоря, в котором он индуктируется.
  • Для того чтобы сделать устройство достаточно мощным, в нем применяются электрические магниты. Обмотка ротора, в которой индуцируется ЭДС, в действующих агрегатах тоже не является рамкой, как мы показывали в схемах выше. Применяется очень большое количество проводников, которые соединены друг с другом по определенной схеме

Интересно знать! Образование ЭДС происходит не только тогда, когда проводник смещается относительно магнитного поля, но и наоборот, когда двигается само поле относительно проводника, чем активно и пользуются конструкторы электродвигателей и генераторов.

  • Данное свойство позволяет размещать обмотку, в которой индуктируется ЭДС, не только на вращающейся центральной части устройства, но и на неподвижной части. При этом в движение приводится магнит, то есть полюсы.

Синхронный генератор электрического тока и принцип действия этого устройства

  • При таком строении внешняя обмотка генератора, то есть силовая цепь, не нуждается ни в каких подвижных частях (кольцах и щетках) – соединение выполняется жесткое, чаще болтовое.
  • Да, но можно резонно возразить, мол, эти же элементы потребуется установить на обмотке возбуждения. Так и есть, однако сила тока, протекающая здесь, будет намного меньше итоговой мощности генератора, что значительно упрощает организацию подвода тока. Элементы будут малы по размерам и массе и очень надежны, что делает именно такую конструкцию самой востребованной, особенно для мощных агрегатов, например, тяговых, устанавливаемых на тепловозах.
  • Если же речь идет о маломощных генераторах, где токосъем не представляет каких-то сложностей, поэтому часто применяется «классическая» схема, с вращающейся якорной обмоткой и неподвижным магнитом (индуктором).

Совет! Кстати, неподвижная часть генератора переменного тока называется статором, так как она статична, а вращающаяся – ротором.

Вращать легче центральную часть

Виды генераторов переменного тока

Классифицировать и отличить генераторы можно по нескольким признакам. Давайте назовем их.

Трехфазные генераторы

Отличаться они могут по количеству фаз и быть одно-, двух- и трехфазными. На практике наибольшее распространение получил последний вариант.

Схема трехфазного генератора

  • Как видно из картинки выше, силовая часть агрегата имеет три независимые обмотки, расположенные на статоре по окружности, со смещением друг относительно друга на 120 градусов.
  • Ротор в данном случае представляет собой электромагнит, который, вращаясь, индуктирует в обмотках переменные ЭДС, которые сдвинуты друг относительно друга во времени на одну третью периода «Т», то есть такта. По сути, каждая обмотка представляет собой отдельный однофазный генератор, который питает переменным током свою внешнюю цепь R. То есть мы имеет три значения тока I(1,2,3) и такое же количество цепей. Каждая такая обмотка вместе с внешней цепью получила название фазы.

Смещение синусоид на 1/3 такта

  • Чтобы сократить число проводов, ведущих к генератору, три обратных провода, ведущих к нему от потребителей энергии, заменяют одним общим, по которому будут проходить токи от каждой фазы. Такой общий провод называют нулевым
  • Соединение всех обмоток такого генератора, когда их концы соединяются друг с другом, называется звездой. Отдельные три провода, соединяющие начала обмоток с потребителями электроэнергии называются линейными – по ним и идет передача.
  • Если нагрузка всех фаз будет одинаковой, то необходимость в нулевом проводе полностью отпадет, так как общий ток в нем будет равен нулю. Как так получается, спросите вы? Все предельно просто – для понятия принципа достаточно сложить алгебраические значения каждого синусоидального тока, сдвинутых по фазе на 120 градусов. Схема выше поможет понять этот принцип, если представить, что кривые на нем – это изменение тока в трех фазах генератора.
  • Если же нагрузка в фазах будет неодинаковой, то нулевой провод начнет пропускать ток. Именно поэтому распространена 4-х проводная схема подключения звездой, так как она позволяет сохранять электрические приборы, включенные в этот момент в сеть.

Варианты соединения обмоток у трехфазного генератора

  • Напряжение между линейными проводами называется линейным, тогда как напряжение на каждой фазе – фазным. Токи, протекающие в фазах, являются и линейными.
  • Схема подключения звездой не является единственной. Существует и другой вариант последовательного подключения трех обмоток, когда конец одной соединен с началом второй, и так далее, пока не образуется замкнутое кольцо (см. схему выше «б»). Исходящие от генератора провода подключаются в местах соединения обмоток.
  • В таком случае фазовые и линейные напряжения будут одинаковыми, а ток линейного провода будет больше фазного, при их одинаковой нагрузке.
  • Такое соединение также не нуждается в нулевом проводе, в чем и заключается основное преимущество трехфазного генератора. Наличие меньшего количества проводов делают его проще, и цена его ниже, из-за меньшего количества используемых цветных металлов.

Принципиальная схема генератора тока

Еще одной особенностью трехфазной схемы подключения является появление вращающегося магнитного поля, что позволяет создавать простые и надежные асинхронные электродвигатели.

Но и это не все. При выпрямлении однофазного тока на выходе выпрямителя получается напряжение с пульсациями от нуля до максимального значения. Причина, думаем, ясна, если вы поняли основной принцип работы такого устройства. Когда же присутствует сдвиг по времени фаз, пульсации сильно уменьшаются, не превышая 8%.

Различие по виду

Отличаются генераторы и по виду, которых существует 2:

Синхронный генератор

  • Синхронный генератор переменного тока – главная особенность такого агрегата заключается в жесткой связи частоты переменной ЭДС, которая наведена в обмотке и синхронной частотой вращения, то есть вращения ротора.

Принцип действия и устройство синхронного генератора.

  1. Взгляните на схему выше. На ней мы видим статор с трехфазной обмоткой, соединенной по треугольной схеме, которая мало чем отличается от той, что стоит на асинхронном двигателе.
  2. На роторе генератора располагается электромагнит с обмоткой возбуждения, питающаяся от постоянного тока, который может быть подан на него любым известным способом – об этом подробнее будет расписано далее.
  3. Вместо электромагнита может быть применен постоянный, тогда необходимость в скользящих частях схемы, в виде щеток и контактных колец, отпадает вовсе, на такой генератор не будет достаточно мощным и не сможет нормально стабилизировать выходные напряжения.
  4. К валу ротора подключается привод – любой двигатель, создающий механическую энергию, и он приводится в движение с определенной синхронной скоростью.
  5. Так как магнитное поле главных полюсов вращается вместе с ротором, начинается индукция переменных ЭДС в обмотке статора, которые можно обозначить как Е1, Е2 и Е3. Эти переменные будут одинаковыми по значению, но как уже не раз говорилось, смещенными на 120 градусов по фазе. Вместе эти значения образуют трехфазную систему ЭДС, которая симметрична.
  6. К точкам С1,С2 и С3 подключается нагрузка, и на фазах обмотки в статоре появляются токи I1,I2,и I В это время каждая фаза статора сама становится мощным электромагнитом и создает вращающееся магнитное поле.
  7. Частота вращения магнитного поля статора будет соответствовать частоте вращения ротора.

Асинхронный электрический двигатель

  • Асинхронные генераторы – их отличает от описанного выше примера то, что частоты ЭДС и вращения ротора жестко не привязаны друг к другу. Разница между этими параметрами называется скольжением.
  1. Электромагнитное поле такого генератора в обычном рабочем режиме оказывает под нагрузкой тормозной момент на вращение ротора, поэтому частота изменения магнитного поля будет меньшим.
  2. Эти агрегаты не требуют для создания сложных узлов и применения дорогих материалов, поэтому нашли широкое применение, как электрические двигатели для транспорта, из-за легкого обслуживая и простоты самого устройства. Данные генераторы устойчивы к перегрузкам и коротким замыканиям, однако на устройствах сильно зависящих от частоты тока они неприменимы.

Способы возбуждения обмотки

Последнее различие моделей, которое хотелось бы затронуть, связано со способом запитки возбуждающей обмотки.

Тут можно выделить 4 типа:

  1. Питание на обмотку подается через сторонний источник.
  2. Генераторы с самовозбуждением – питание берется от самого генератора, при этом напряжение выпрямляется. Однако находясь в неактивном состоянии, такой генератор не сможет выработать достаточного напряжения, чтобы стартовать, для чего в схеме применяется аккумулятор, который будет задействован во время старта.
  3. Вариант с обмоткой возбуждения, питающейся от другого генератора меньшей мощности, установленного с ним на одном валу. Второй генератор уже должен стартовать от стороннего источника, например, того же аккумулятора.
  4. Последняя разновидность вообще не нуждается в подаче питания на обмотку возбуждения, так как ее у него нет, ведь применяется в устройстве постоянный магнит.

Применение генераторов переменного тока на практике

Промышленное производство мощных генераторов

Применяются такие генераторы практически во всех сферах человеческой деятельности, где требуется электрическая энергия. Причем принцип ее добычи отличается только способом приведения в движение вала устройства. Так работают и гидро-, и тепло- и даже атомные станции.

Данные станции запитывают по проводам общественные сети, к которым подключается конечный потребитель, то есть все мы. Однако существует множество объектов, к которым невозможно доставить электрическую энергию таким способом, например, транспорт, стройплощадки вдали от линий электропередач, очень далекие поселки, вахты, буровые установки и прочее.

Это означает только одно – требуется свой генератор и двигатель, приводящий его в движение. Давайте рассмотрим несколько небольших и часто встречающихся в нашей жизни устройств.

Автомобильные генераторы

На фото — электрический генератор для автомобиля

Кто-то возможно тут же скажет: «Как? Это же генератор постоянного тока!». Да, действительно, так оно и есть, однако таковым его делает лишь наличие выпрямителя, который этот самый ток делает постоянным. Основной принцип работы ничем не отличается – все тот же ротор, все тот же электромагнит и прочее.

Принципиальная схема автомобильного генератора

Это устройство функционирует таким образом, что вне зависимости от скорости вращения вала, оно вырабатывает напряжение в 12В, что обеспечивается регулятором, через который идет питание обмотки возбуждения. Обмотка возбуждения стартует, запитываясь от автомобильного аккумулятора, ротор агрегата приводится в движение двигателем автомобиля через шкив, после чего начинает индуцироваться ЭДС.

Для выпрямления трехфазного тока используется несколько диодов.

Генератор на жидком топливе

Бензиновый генератор

Устройство бензинового генератора переменного тока, ровно, как и дизельного, мало чем отличается от того, что установлен в вашем автомобиле, за исключением нюанса, что ток он будет выдавать, как положено, переменный.

Из особенностей можно выделить то, что ротор агрегата всегда должен вращаться с одной скоростью, так как при перепадах выработка электроэнергии становится хуже. В этом кроется существенный недостаток подобных устройств – подобный эффект происходит при износе деталей.

Интересно знать! Если к генератору подключить нагрузку, которая будет ниже рабочей, то он не будет использовать свою мощность на полную, съедая часть жидкого топлива впустую.

Панель управления генератора

На рынке представлен большой выбор подобных агрегатов, рассчитанных на разную мощность. Они пользуются большой популярность за счет своей мобильности. При этом инструкция по пользованию предельно проста – заливаем своими руками топливо, запускаем двигатель поворотом ключа и подключаемся…

На этом, пожалуй, закончим. Мы разобрали назначение и общее устройство этих приборов  максимально просто. Надеемся, генератор переменного тока и принцип его действия стали к вам чуточку ближе, и с нашей подачи вы захотите погрузиться в увлекательный мир электротехники.

Устройство и принцип работы генератора переменного тока — урок. Физика, 9 класс.

Проведём опыт по получению индукционного тока. Будем вдвигать и выдвигать постоянный магнит в катушку, соединённую с гальванометром.

 

 

Рисунок \(1\). Опыт по получению индукционного тока

 

Можно наблюдать отклонение гальванометра в одну и другую стороны. Это значит, что по катушке течёт индукционный ток, у которого изменяется как модуль, так и направление с течением времени. Такой ток называется переменным током.


Переменный ток создаётся и в замкнутом контуре изменяющимся магнитным потоком, пронизывающим его площадь. Изменение магнитного потока связано с изменением индукции магнитного поля. Величину магнитного потока можно изменить, поворачивая контур (или магнит), то есть меняя его ориентацию по отношению к линиям магнитной индукции.

 

 

Рисунок \(2\). Изменение магнитного потока при вращении постоянного магнита


Этот принцип получения переменного электрического тока используется в механических индукционных генераторах — устройствах, преобразующих механическую энергию в электрическую. Основные части: статор (неподвижная часть) и ротор (подвижная часть).

 

 

Рисунок \(3\). Схема генератора

\(1\) — корпус;

\(2\) — статор;

\(3\) — ротор;

\(4\) — скользящие контакты (щётки, кольца).


В промышленном генераторе статором является цилиндр с прорезанными внутри него пазами, в которые уложен витками провод из меди с большой площадью поперечного сечения (аналогично рамке). Переменный магнитный поток в таких витках порождает переменный индукционный электрический ток.


Ротор — это постоянный магнит или электромагнит. Электромагнит представляет собой обмотку с железным сердечником внутри, по которому течёт постоянный электрический ток. Он подводится от внешнего источника тока через щётки и кольца.

 

Какая-либо механическая сила (паровая или водяная турбина) вращает ротор. Вращающееся одновременно с ним магнитное поле образует изменяющийся магнитный поток в статоре, в котором возникает переменный электрический ток.

 

 

Рисунок \(4\). Устройство гидрогенератора

\(1\) — статор;

\(2\) — ротор;

\(3\) — водяная турбина.

Генератор переменного тока. Устройство и принцип действия

Видео: Принцип работы генератора переменного тока. Как работает генератор простыми словами? Что такое переменный ток?

Генератор переменного тока — это электрическая машина, преобразующая механическую энергию в электрическую энергию переменного тока путем вращения проволочной катушки в магнитном поле. Большинство генераторов переменного тока используют вращающееся магнитное поле.

В последнее время широкое распространение получили генераторы переменного тока, выгодно отличающиеся от генераторов постоянного тока своими габаритными размерами и способностью вырабатывать ток заряда при меньшей частоте вращения коленчатого вала двигателя. Они имеют повышенную надежность.

Генераторы переменного тока используют на гусеничных и колесных машинах (например, на КамАЗ-4310 и КЗКТ-7428). По своей конструкции генераторы переменного тока отличаются от коллекторных генераторов постоянного тока. У них почти вдвое меньше масса и втрое — расход меди. Благодаря более раннему началу отдачи зарядного тока (с момента приведения во вращение вала двигателя на режиме холостого хода) такие генераторы имеют существенно лучшие зарядные свойства по сравнению с генераторами постоянного тока.

Генератор переменного тока представляет собой трехфазную синхронную электромашину с электромагнитным возбуждением и выпрямителем. Генератор работает совместно с регулятором напряжения, обеспечивающим поддержание в электросети машины (с определенным допуском) требуемого постоянного напряжения.

Рис. Схема генератора переменного тока:
1 — ротор; 2 — статор; 3, 9 — шарикоподшипники; 4 — шкив привода; 5 — вентилятор; 6, 10 — крышки; 7 — выпрямитель; 8 — контактные кольца; 11 — щеткодержатель; 12 — обмотка возбуждения; 13 — винты крепления фазовых обмоток статора к выпрямителю; 14 — винт «массы»

Принцип действия генератора переменного тока

Конструкции электрических генераторов переменного тока различны, но принцип их действия одинаков. Рассмотрим один из таких генераторов.

Статор 2 генератора с трехфазной обмоткой выполнен в виде отдельных катушек, в витках которых при вращении ротора 1 индуцируется переменное напряжение. В каждой фазе имеется по шесть катушек, соединенных последовательно. Обмотка возбуждения 12 выполнена в виде катушки и помещена на стальной втулке клювообразных полюсов ротора, обмотки которого питаются постоянным током от аккумуляторной батареи или выпрямителя 7, устанавливаемого на выходе генератора. В крышке 10 имеются вентиляционные окна, через которые циркулирует охлаждающий поток воздуха. Моноблок-радиатор способствует охлаждению выпрямителя, собранного из кремниевых вентилей (диодов) с допустимой температурой нагрева 150 °С.

Интересным компоновочным решением конструкции генератора переменного тока является генераторная установка магистральных автопоездов МАЗ. Она состоит из генератора и интегрального регулятора напряжения (ИРН). Номинальное вырабатываемое напряжение установки 28 В, номинальная мощность 800 Вт. Регулятор вмонтирован в основание щеткодержателя генератора. В крышку генератора также вмонтирован выпрямительный блок БПВ 4-45. Регулятор состоит из резисторов, конденсаторов, стабилитронов, транзисторов и других элементов. Он снабжен переключателем сезонной регулировки («летняя» и «зимняя»). Элементы ИРН смонтированы на малогабаритной керамической плате, закрытой специальной крышкой и залитой герметиком, что делает конструкцию неразборной и неремонтируемой.

Устройство генератора тока | У электрика.ру

Приветствую всех на нашем сайте. Сегодня мы поговорим об устройстве генератора тока. Попробуем максимально охватить данную тему  и рассмотреть устройство  генераторов постоянного и переменного токов.

На самом деле, не совсем верно называть это устройство генератором именно переменного или постоянного тока, поскольку, ток возникает только в замкнутом контуре. В общем, в обмотках генератора возникает ЭДС, а не ток. Ток начинает протекать только тогда, когда к обмоткам подключается какой-либо потребитель. Однако, в этой статье мы будем пользоваться устоявшимися понятиями.

Какие бы ни были электрические генераторы основной их принцип – выработка электрической энергии за счёт вращения обмотки в магнитном поле. Это значит, что можно выделить два схематических вида генераторов: либо мы вращаем магнитное поле в неподвижном проводнике, либо вращаем проводник в неподвижном магнитном поле.

Содержание:

Устройство генератора переменного тока

Итак, относительно устройства генератора переменного тока и принципа его действия.

Наибольшее распространение получили генераторы переменного тока с неподвижным проводником. Обусловлено это тем, что ток возбуждения по отношению к току, который получают с генератора, небольшой. Если посмотрите на картинку, то увидите два кольца, по которым протекает ток обмотки возбуждения и это слабое звено любого генератора с обмоткой возбуждения. То есть, либо по кольцам через щётки мы подаем небольшой ток возбуждения, либо через кольца снимаем большой рабочий ток. В электричестве неподвижная часть генераторов или двигателей, на которой находится обмотка, называется статором. Подвижная часть может называться ротором или якорем.

Основные виды генераторов переменного тока

Видов генераторов довольно много. Попробуем классифицировать их по основным направлениям.

  • По виду используемой энергии:
    • Энергия ветра
    • Энергия газа
    • Энергия жидкого топлива
    • Энергия тепла
    • Энергия воды
  • По типу генератора:
    • Однофазный
    • Трёхфазный
    • Синхронный
    • Асинхронный
    • По количеству полюсов статорной обмотки

Есть и другие типы, но они менее распространены.

  • По типу возбуждения:
    • Независимое возбуждение. В этом случае на одном валу с генератором переменного тока находится еще и генератор постоянного тока, который питает только обмотку возбуждения. Возбуждение в таком случае может выполняться и любым другим источником тока, например, аккумулятором.
    • Самовозбуждение. В этом случае, напряжение для обмотки возбуждения получают непосредственно с используемого генератора.
    • Возбуждение с помощью магнитов, которые располагаются на статоре или на якоре, что значительно упрощает устройство генератора, но с помощью такого способа получить мощные генераторы не получится.
Синхронный генератор : схема, устройство, принцип работы

Что значит синхронный по отношению к двигателю или генератору? Если совсем просто, то частота переменного тока жёстко зависит от скорости вращения ротора электрической машины и наоборот. Таким образом, можно относительно легко контролировать частоту переменного тока. Сам по себе синхронный генератор имеет ряд преимуществ, благодаря которым стал наиболее распространенным. Скажу вам по большому секрету, именно синхронные генераторы используются на всех станциях, где производят электричество.

Приводным двигателем (на схеме обозначен как ПД) может выступать любое вращающее устройство: двигатель, турбина, крыльчатка ветряной мельницы или водяного колеса. На одном валу с ПД находится ротор генератора с обмоткой возбуждения. На обмотку подается постоянное напряжение и вокруг обмотки образуется магнитное поле. Когда ротор вращается, в обмотках статора возникает ЭДС, то есть появляется напряжение, только уже переменное, частота которого зависит от скорости вращения ротора n1 и количества пар полюсов p. Частоту ЭДС можно высчитать по формуле.

Асинхронный генератор: схема, устройство, принцип работы

Устройство асинхронного генератора

Асинхронный генератор, это, по сути, асинхронный двигатель. То есть, любой асинхронный двигатель можно перевести в режим генерации энергии и наоборот. Конструктивно, устройство, которое называют генератором, выполнено таким образом, чтобы иметь хорошее охлаждение. Глубоко останавливаться на принципе действия асинхронных машин не будем, но вкратце расскажу, почему их называют асинхронными на примере двигателя.

Когда на обмотки статора подается напряжение, образуется магнитное поле, у трёхфазных двигателей оно круговое, у однофазных эллипсообразное, стремящееся к круговому. Магнитное поле начинает пересекать витки обмотки статора. В короткозамкнутой обмотке ротора возникает ЭДС, то есть напряжение, а поскольку обмотка короткозамкнутая, по ней начинает протекать ток, который тоже создает магнитное поле. Взаимодействие этих магнитных полей приводит ротор в движение. Что будет, если скорость ротора станет равна скорости магнитного поля, создаваемого статором? Правильно, магнитное поле статора перестанет пересекать обмотку ротора. Это можно сравнить с тем, что две машины двигаются на одинаковой скорости. Вроде бы машины двигаются, но при этом по отношению друг к другу они словно стоят на месте, просто земля с большой скоростью проносится под машинами. Так вот, как только скорость ротора и скорость магнитного поля статора станут одинаковыми, в обмотке ротора перестанет вырабатываться ЭДС, прекратится взаимодействие магнитных полей статора и ротора и ротор начнёт останавливаться. Поэтому скорость вращения ротора асинхронного двигателя всегда несколько меньше скорости вращения магнитного поля статора и эта величина называется скольжение.

Так вот, чтобы асинхронный двигатель стал генератором, надо определить скольжение и увеличить скорость вращения ротора на эту величину. Допустим, мы имеем однополюсный трехфазный асинхронный двигатель со скоростью вращения вала 2800 оборотов. Если бы такой двигатель был синхронным, скорость вращения составила бы 3000 оборотов. То есть скольжение составляет 200 оборотов в минуту. Это значит, что если мы начнём вращать ротор со скоростью 3200 оборотов в минуту, то двигатель перейдёт в генераторный режим и будет уже не потреблять, а вырабатывать ЭДС.

Сложность применения таких генераторов в том, что они подвержены провалам. Например, если включить активную нагрузку (лампочку накаливания или нагреватель), пусковой ток будет небольшим. Значительной перегрузки не произойдет, и генератор будет работать стабильно. Если же включить реактивную нагрузку, например, двигатель, то будет большой пусковой ток, превышающий номинальный в 5-20 раз, который «провалит» генератор, то есть вызовет резкое падение напряжения на обмотках генератора. После такого провала асинхронный генератор снова нужно возбуждать. Так что, простота асинхронного генератора перевешивается серьезным недостатком.

Ну и еще нужна конденсаторная установка для возбуждения короткозамкнутой обмотки ротора. Если подобрать неверно ёмкость конденсаторов, то в случае «недобора» от генератора мы получим меньше тока, а в случае «перебора», наш генератор будет сильно перегреваться.

Схемы подключения

Собственно, даже не схемы включения, а варианты. Их, как правило, три:

      • Автоматическое включение. В этом случае устанавливается специальный блок аварийного включения. Как только отключают напряжение в сети, блок подаёт команду на запуск генератора и переключает сеть с внешнего источника питания, на генераторную установку.
      • Ручное включение. В этом случае, пользователь сам проводит операцию переключения с внешнего источника питания на генераторную установку и вручную запускает генератор.
      • Синхронная работа. Такой режим, в основном используется на крупных станциях, генераторы которых объединены в одну сеть. Все генераторы этой сети работают синхронно, с одной частотой, с одной очерёдностью фаз и с одинаковым напряжением на обмотках статора.
Однофазный генератор

Здесь я подробно останавливаться не буду. Такие устройства сейчас можно встретить в любом магазине инструментов. Если однофазный генератор используется как запасной источник электроэнергии, то подключается к домовой сети, как правило, посредством рубильника. То есть, одновременно внешний источник питания и генератор на одну сеть не могут – либо то, либо другое. Во-первых, незачем, во-вторых, это сильно усложнило бы и увеличило стоимость бытовых генераторов. Единственное, на чём могу здесь остановиться, это включение однофазного генератора в трёхфазную сеть.

Включение однофазного генератора в трёхфазную сеть

Однако у такого метода есть свой недостаток. Трёхфазные двигатели в такой сети работать не будут, если же их включить, то очень быстро нагреются и выйдут из строя.

Трехфазный генератор

Трёхфазные генераторы могут быть бытовыми и промышленными. Устройство генератора трёхфазного тока в бытовом варианте практически ничем не отличается от однофазного, как и схема включения. Единственное условие при включении бытового генератора в сеть, если в такой сети имеются трёхфазные двигатели – соблюдать очередность фаз. В случае же, если нагрузка в доме однофазная, то такой предосторожностью можно пренебречь.

Устройство генератора трёхфазного тока в промышленном варианте – это устройство, оснащенное автоматическим пуском и иногда может быть оснащено устройством синхронизации. Подключение таких генераторов лучше доверить специалистам.

Ну а бытовой генератор точно так же, как и однофазный включается в сеть через рубильник. Следовательно, в зависимости от положения рубильника работает либо внешний источник питания, либо генератор.

Устройство генератора постоянного тока

Чтобы узнать, что такое генератор постоянного тока, устройство и принцип действия вернёмся немного назад. Мы уже выяснили, как работает генератор переменного тока. Давайте подробнее рассмотрим процесс возникновения ЭДС. Поскольку ротор вращается, у нас есть цикл равный одному обороту ротора или 360°. Давайте узнаем, что происходит в этом цикле:

      • 0° — ЭДС =0
      • 90° — ЭДС достигает максимального значения со знаком «+»
      • 180° — ЭДС снова равна 0
      • 270° — ЭДС достигает пикового значения со знаком «-»

Как же сделать так, чтобы не менялась полярность напряжения? Великие умы придумали следующее – применить коллектор, то есть, снимать напряжение только нужной полярности. Помните, мы говорили, что в генераторе переменного тока, рабочей является обмотка статора, а на роторе находится обмотка возбуждения. Так вот, в генераторе постоянного тока напряжение снимается только с ротора, который называется якорем.

Схема генератора постоянного тока

Если такой генератор будет иметь только одну пару полюсов, как на картинке, то мы получим пульсирующее постоянное напряжение, где частота будет в два раза больше скорости вращения. То есть, если скорость вращения будет 50 оборотов в секунду, то частота пульсации будет 100 Гц. Чтобы снизить пульсацию напряжения увеличивают количество пар полюсов.

С момента изобретения генератора постоянного тока схематично и по принципу действия он практически не изменился, изменилась лишь технология изготовления и сейчас он выглядит так:

Основные виды генераторов постоянного тока

В настоящее время набирают популярность двигатели постоянного тока без коллектора. Возможен ли вариант бесколлекторного генератора? К сожалению, пока решить эту задачу не удалось. Так что, если вы где-то увидите название «Бесколлекторный генератор постоянного тока», знайте, что это генератор переменного тока с выпрямительным блоком.

По этой причине, генераторы постоянного тока характеризуют только по типу возбуждения:

  1. Генераторы, возбуждаемые магнитами. Большую мощность такие генераторы развить не могут, поэтому нашли применение только там, где требуются небольшие мощности. Ну и, конечно же, применение магнитов ощутимо удешевляет стоимость таких генераторов.
  2. Независимое возбуждение. Точно так же, как и у генераторов переменного тока, для возбуждения применяется внешний источник питания, не связанный с генератором.
  3. Зависимое возбуждение, которое делится на три типа:
    • Параллельное возбуждение. Как можно понять из названия, обмотка возбуждения в таком генераторе подключена параллельно обмотке якоря. Иногда такой вид возбуждения называют шунтовый.
    • Последовательное возбуждение. Здесь обмотка возбуждения подключается как гирлянда, последовательно обмотке якоря. Такой вид иногда называют сериесным.
    • Смешанное возбуждение или компаундное. Обмотка возбуждения таких генераторов состоит из двух частей, первая подключается шунтовым методом, вторая сериесным.
Генераторы с независимым возбуждением: схема, устройство, принцип работы

Схема генератора независимого возбуждения

Принцип работы этого генератора довольно прост. Однако простота генератора является его же недостатком – он требует внешнего независимого источника питания. Якорь генератора разгоняют до необходимой скорости, затем с помощью реостата начинают возбуждать генератор. На обмотках якоря возникает ЭДС и при подключении нагрузки начинает протекать ток.

Нагрузочная способность такого генератора очень хорошая. Как правило, разница между напряжением холостого хода, когда нагрузка не подключена и напряжением при номинальной нагрузке генератора, когда потребитель загружает полностью – составляет всего 5-10%.

Преимущество генератора с независимым возбуждением ещё и в том, что его можно запускать под нагрузкой, то есть, с присоединенными электроприборами.

Генераторы с параллельным возбуждением: схема, устройство, принцип работы

Схема генератора параллельного возбуждения

У генератора с параллельным включением обмотки возбуждения, в принципе, тоже неплохие нагрузочные характеристики, хотя и несколько хуже, чем у схем с независимым возбуждением – 10-30%. У схем с зависимым возбуждением есть одна особенность, для того, чтобы произошло возбуждение, металл генератора должен иметь остаточную намагниченность. Достаточно 2-3% остаточной намагниченности чтобы запустился процесс самовозбуждения. Конечно же, при этом направление обмотки возбуждения должно совпадать с направлением поля остаточной намагниченности.

Якорь генератора раскручивают до номинальных оборотов, за счет остаточного намагничивания происходит самовозбуждение, то есть, в контуре генератор-обмотка возбуждения появляется ЭДС, появляется небольшой ток. Он увеличивает ЭДС, следовательно, ток снова увеличивается и так происходит до тех пор, пока не будет достигнут баланс между падением напряжения в обмотке генератора и падением напряжения в обмотке возбуждения.

В работе генератора есть одна особенность. Если плавно увеличивать нагрузку вплоть до короткого замыкания, то в какой-то момент мощность генератора достигнет пиковых значений, затем пойдет на спад. По сути, если в момент номинальной загрузки генератора устроить короткое замыкание, то ничего страшного не произойдет. Но если это сделать при небольшой нагрузке, то ток короткого замыкания достигает критических значений 8-10 Iн, а значит, такие генераторы крайне настоятельно рекомендуется защищать от короткого замыкания любым доступным способом.

Такие генераторы получили наибольшее распространение, поскольку не требуют внешних источников питания, имеют неплохую нагрузочную способность и позволяют контролировать ток возбуждения.

Генераторы с последовательным возбуждением: схема, устройство, принцип работы

Схема генератора последовательного возбуждения

Поскольку ток обмотки возбуждения в данном случае равен току в цепи, а значит, достигает больших значений, обмотка возбуждения выполняется толстым проводом и имеет меньшее количество витков, чем в предыдущих двух схемах. Принцип работы такой же, как и у предыдущей схемы. Обмотка и поле остаточной намагниченности должны совпадать по направлению. При раскручивании якоря до номинальной частоты возникает ЭДС, поднимается ток и дальше по нарастающей, пока не будет достигнут баланс.

Но здесь есть один небольшой нюанс. Ток обмотки возбуждения изменяется от тока нагрузки, и регулировать ток возбуждения возможности нет. А это приводит к тому, что очень сильно изменяется и напряжение. Здесь мы получаем самый настоящий генератор тока, а не напряжения. Именно поэтому область применения генератора с последовательным возбуждением сильно ограничена.

Генераторы со смешанным возбуждением: схема, устройство, принцип работы

Схема генератора со смешанным возбуждением

На этом типе соединения нужно остановиться подробнее. У нас есть две обмотки, а значит, их можно включать как согласованно, так и встречно. Здесь я приведу график внешних характеристик  такого генератора, и мы по ним пройдемся.

График внешних характеристик генератора постоянного тока со смешанным возбуждением

Итак, раскручиваем якорь до номинальных оборотов. Остаточная намагниченность возбуждает параллельную обмотку, генератор выходит на рабочий режим. Теперь, если мы подключим нагрузку, при этом последовательная обмотка включена согласованно, то возникает дополнительный ток возбуждения. Последовательная обмотка становится, как бы, поддерживающей или опорной. Этот вид включения, если последовательная обмотка была рассчитана, как компенсирующая, позволяет довольно жестко поддерживать напряжение в заданных пределах. На графике это очень хорошо видно по кривой №1.

Если требуется получить некий запас напряжения, например, генератор находится на значительном удалении от потребителя и требуется учесть потери на кабельных линиях, то в последовательной катушке возбуждения увеличивают количество витков. Тем самым, мы получаем более крутую внешнюю характеристику, но поддержание напряжения на номинальных нагрузках остается по-прежнему жестким. Это видно по кривой №2.

Для сравнения, кривая №3 показывает внешнюю характеристику генератора только с параллельным возбуждением.

Так зачем же требуется встречное включение катушек возбуждения? Если вы посмотрите на кривую №4, то можете догадаться, что в случае короткого замыкания, ток возрастает до определенного момента, затем начинает падать. Из графика видно, что ток не достигает даже номинального значения, то есть, примерно 0,7 Iн. В таком варианте включения обмоток генератор без риска повреждения можно использовать для частых коротких замыканий, например сварочные работы.

К сожалению, у всех схем, где используется зависимое возбуждение, есть один существенный недостаток. Поскольку это трудно назвать возбуждением, скорее это самовозбуждение, то запускать такие генераторы вместе с нагрузкой не представляется возможным. Как я уже говорил выше, возбуждение происходит за счёт остаточного намагничивания, которое составляет буквально 2-3%. А значит, если к выводам генератора будет подключена нагрузка, ток будет стремиться по пути наименьшего сопротивления, то есть самой нагрузки. Другими словами, вместе с нагрузкой тока будет недостаточно для формирования магнитного поля.

Думаю, на этом можно закончить ознакомительную статью по генераторам переменного и постоянного тока.

Поделиться ссылкой:

Похожее

Принцип работы и схема генератора переменного тока

Представить себе жизнь современного человека без электричества крайне сложно. Даже те люди, которые отдалены от цифровых технологий и Интернета, все равно пользуются бытовыми приборами, которые работают на электрической энергии. Часто для ее производства используют генератор переменного тока, ведь именно ток такого поля используется всеми бытовыми установками, подается во все квартиры и частные дома. Упомянутый выше прибор был изобретен уже достаточно давно, но он до сих пор не утратил своей популярности и применяется во многих сферах жизни людей. Про устройство генератора и принцип его работы рассказано в данной статье.

Что такое генератор переменного тока, и кто его изобрел

Генератор переменного тока представляет собой специализированную электрическую установку, которая преобразует механическую энергию в электрическую. Последняя обладает переменной характеристикой. Само превращение основано на механическом вращении катушки из проволоки внутри магнитного поля.

Демонстрация рассматриваемого прибора в разрезе

К сведению! Практически все современные генераторы используют для получения электроэнергии вращающееся магнитное поле, а не катушку.

Как уже было сказано, электрический ток вырабатывается не только при механическом движении катушки в поле магнита, но и тогда, когда силовые линии магнита, находящегося во вращательном движении, пересекают витки катушки. Таким образом появляющиеся электроны начинают свое движение к положительному полюсу магнита, а сам электроток протекает от плюсового полюса к минусовому.

Ток индуцируется в проводнике (катушке). Его течение отталкивает магнит, когда рамка катушки подходит к нему, и отталкивает его, когда рамка удаляется. Его говорить проще, то ток каждый раз меняет свою ориентацию относительно полюсов магнита. Это и вызывает такое явление, как переменный электрический ток.

Демонстрация прибора с помощью простого магнита и контура

Данное приспособление появилось еще в 1832 г. благодаря стараниям Н. Тесла. Именно тогда был создал самый первый однофазный синхронный генератор переменного электрического тока. Самые первые установки производили только постоянный ток, а рассматриваемый генератор переменной характеристики некоторое время не мог найти своего практического применения. Это длилось не долго, так как люди быстро поняли, что переменный ток использовать гораздо практичнее, чем постоянный.

Обратите внимание! Преимущество новой технологии заключалось в том, что такой электроток было легче выработать, а на обслуживание приборов уходило в разы меньше времени и ресурсов, чем на аналоги, работающие на постоянном токе.

Именно благодаря переменному току и его генератору смогли появиться на свет такие электроприборы, как радиоприемник, магнитофон и другие более поздние автоматические и электротехнические установки, без которых представить жизнь современного человека нельзя.

Использование графика для демонстрации переменного и постоянного электротоков

Характеристики генератора переменного тока

Основные технические характеристики генератора переменного тока: внешняя, скоростная регулировочная и токоскоростная. Внешняя характеристика определяется, как зависимость напряженности прибора от генерируемого им тока. Она является константой и может быть определена в процессе самостоятельного и независимого возбуждения.

Скоростная регулировочная характеристика чаще всего высчитывается исходя из нескольких величин электротока нагрузки. Самое маленькое значение возбуждения находится при нагрузочном токе, равном нулю (частота вращений при этом максимальная).

Последняя токоскоростная характеристика определяется как одна из самых важных при выборе или создании генератора. Практически все новые генераторы могут самостоятельно ограничивать свой максимальный ток.

Обратите внимание! Делается это для того, чтобы частота вращения роторов не увеличивалось до частоты индуцированного стартера.

Простой индукционный генератор для использования дома и на предприятии

Принцип работы генератора

Пришло время рассмотреть устройство генератора перемененного тока и принцип его действия. Он заключается в том, что в электроустановке используют специальную систему, которая при функционировании производит магнитный поток большой мощности.

За основу взято два сердечника, изготовленных из электротехнической стали. Пазы одного сердечника предполагают размещение обмотки, которая отвечает за генерацию потока магнитных волн. Второй же используется для индукции электродвижущей силы.

Обычно сердечник, который расположен внутри, находится в горизонтальном или вертикальном положении и вращается по соответствующим орбитам. Его называют ротором. Второй же сердечник, называемый статором, как понятно из его названия, остается в неподвижном состоянии. Чем меньшее расстояние будет между этими элементами, тем больше вырастет индуктивность магнитного потока. Далее рассмотрены назначение устройства и работа генератора переменного тока.

Рассмотрение строения электрогенератора на практике

Назначение генератора переменного тока

Переменные генераторы тока применяют уже достаточно давно. За последние годы сфера применения стала еще более обширной. Используются такие приборы не только в промышленных, но и в бытовых целях. Производственные электроустановки представляют собой самый выгодный вариант для генерации электроэнергии, используемой на заводах и предприятиях, учебных учреждениях, торговых центрах и т. д. Также такие генераторы позволяют значительно ускорить строительство того или иного сооружения в тех местах, где нет возможности провести линию электропередачи.

В быту такие устройства также применяются. Они обладают более компактными размерными характеристиками и универсальностью. Часто их используют для питания частных домов, дачных участков или коттеджей.

Обратите внимание! Бытовые и производственные генераторы перемененного тока пользуются популярностью практически во всех сфера жизни человека. Особенно они полезны там, где постоянно возникают перебои с подачей электроэнергии или ее нет вообще.

Возбуждение генератора переменного тока

Как устроен генератор переменного тока

Устройство генератора крайне простое. Он состоит из двух основных частей: подвижной (ротор или индуктор) и неподвижной (статор или якорь). В ГПТ ротором выступает электрический магнит, создающий магнитное поле, которое и принимает статор. Поверхность якоря обладает впадинами, которые называются пазами. В них виднеется обмотка катушки, выступающей в роли проводника.

Обратите внимание! Обычно якорь изготавливают их спрессованных листов стали толщиной не более 0,3 мм. Их изоляционный слой представляет собой простое лаковое покрытие.

Ротор устанавливают внутри статора. Его вращение осуществляется с помощью двигателя, мощность которого передается через обычный вал и некоторые опорные элементы. На валу также имеется возбудитель с постоянным значением электротока, питающий им обмотки катушки. Также среди компонентов имеется аккумуляторная батарея, которая инициализирует запуск стартера и может подавать электричество, если его не хватает для запуска двигателя, его работы.

Важно! Основное различие между однофазным и трехфазным генераторами электрического тока заключается в том, какое максимальное напряжение выдается прибором. В первом случае это 220 В, а во втором — и 220, и 380 В.

Устройство установки

Виды генераторов переменного тока

Есть несколько типов классификации генераторов. Наиболее распространенный — по мощности. Они бывают маломощными и высокомощными. Для решения бытовых задач применяются компактная и маломощная электроустановки, которые обычно используется в качестве резервного источника питания.

В последнее время популярность обрели сварочные генераторы. С бензиновыми моделями следует быть осторожным, так как они должны использоваться только по своему прямому назначению. В противном случае их срок эксплуатации истечет намного раньше положенного. Диагностика и ремонт таких приборов — достаточно дорогостоящие, и чаще проще купить новый аппарат.

Еще одно разделение — асинхронные и синхронные генераторы. Они отличаются конструкцией ротора. В синхронном приборе катушка находится на роторе, а в асинхронном на валу есть специальные углубления, которые предназначены для вставки обмотки. Подробнее о них далее.

Маломощный генератор

Асинхронные генераторы

Асинхронные двигатели — это приборы, которые работают в тормозящем режиме. В данной ситуации ротор выполняет вращения только в одном направлении, совпадающем с движением магнитного поля, но немного опережает его.

Обратите внимание! Такие установки практически не подвержены коротким замыканиям и обладают повышенной защитой от воздействия внешних факторов.

Асинхронный генератор

Синхронные генераторы

Синхронный двигатель — это электромеханизм, который работает в режиме генерации электрической энергии. Его особенность в том, что частота вращения стартера, а точнее его магнитного поля, равна частоте вращения ротора.

К сведению! Синхронные обладают роторами, которые выполнены в виде постоянных или электрических магнитах. Полюсов у них может быть и 2, и 4, и 6. Главное, чтобы это число было кратным двум.

Синхронный генератор

Какой ток вырабатывает генератор

Характеристика тока, который вырабатывается генератором, зависит от его конструкции. Как уже стало понятно, и переменный генератор, и постоянный генератор содержат в своей конструкции электрический или постоянный магнит, создающий поток магнитного поля. В обоих случаях можно найти обмотку из медного проводника. Она вращается и, занимая различные положения в поле магнита, создает наведенную ЭДС.

Если представить, что обмотка разделена на две одинаковые части, то они поочередно будут занимать то горизонтальное, то вертикальное положение. ЭДС будет сначала максимальной, а затем нулевой. Это и будет генерация переменного тока.

Обратите внимание! Если в процессе полуоборота каким-либо образом переключить потребитель энергии, то он будет получать уже постоянный, но пульсирующий ток. В этом и отличие.

Характеристика переменного и постоянного электрических токов

Схема генератора переменного тока

Принципы работы генератора переменного и постоянного токов уже понятны, как и его основные конструкционные элементы. Необходимо рассмотреть пару схем для обобщения материала и понимания процесса генерации электротока.

Схема обычного устройства генерации электротока

Таким образом, были рассмотрены генератор переменного тока, устройство и принцип его действия.

Принципиальная схема электрического генерирующего устройства

Строение этого аппарата практически не поменялось с момента его создания еще в 1800-х гг. Данное электрооборудование служит для выработки тока, который применяется для бытовых или производственных целей.

Принцип работы

  • Ресурс исследования
  • Исследовать
    • Искусство и гуманитарные науки
    • Бизнес
    • Инженерная технология
    • Иностранный язык
    • История
    • Математика
    • Наука
    • Социальная наука
    Лучшие подкатегории
    • Продвинутая математика
    • Алгебра
    • Базовая математика
    • Исчисление
    • Геометрия
    • Линейная алгебра
    • Предалгебра
    • Предварительный расчет
    • Статистика и вероятность
    • Тригонометрия
    • другое →
    Лучшие подкатегории
    • Астрономия
    • Астрофизика
    • Биология
    • Химия
    • Науки о Земле
    • Наука об окружающей среде
    • Науки о здоровье
    • Физика
    • другое →
    Лучшие подкатегории
    • Антропология
    • Закон
    • Политология
    • Психология
    • Социология
    • другое →
    Лучшие подкатегории
    • Бухгалтерский учет
    • Экономика
    • Финансы
    • Менеджмент
    • другое →
    Лучшие подкатегории
    • Аэрокосмическая техника
    • Биоинженерия
    • Химическая инженерия
    • Гражданское строительство
    • Компьютерные науки
    • Электротехника
    • Промышленное проектирование
    • Машиностроение
    • Веб-дизайн
    • другое →
    Лучшие подкатегории
    • Архитектура
    • Связь
    • Английский
    • Гендерные исследования
    • Музыка
    • Исполнительское искусство
    • Философия
    • Религиоведение
    • Письмо
    • другое →
    Лучшие подкатегории
    • Древняя история
.

принципов работы альтернативы сверхпроводника

Логика

Физика, лежащая в основе сверхпроводящих логических схем

Основными физическими явлениями, лежащими в основе работы сверхпроводящих логических схем, являются эффекты сверхпроводимости, квантование магнитного потока и эффект Джозефсона. Первый позволяет передавать баллистический сигнал, не ограниченный мощностью, необходимой для зарядки емкости межкомпонентных линий.Он обеспечивает наибольшее преимущество в энергоэффективности по сравнению с традиционной технологией CMOS. Действительно, сверхпроводящие микрополосковые линии способны передавать пикосекундные сигналы без искажений со скоростью, приближающейся к скорости света, на расстояния, значительно превышающие типичные размеры чипа, и с низкими перекрестными помехами [16]. Это основа для быстрых дальнодействующих взаимодействий в сверхпроводящих цепях.

Отсутствие сопротивления ( R = 0) приводит к отсутствию напряжения ( В, = 0) в сверхпроводящей цепи в стационарном состоянии.Протекание сверхпроводящего тока соответствует не разности электрических потенциалов ( В, = δ), а разности фаз сверхпроводящего параметра порядка, δθ. Сверхпроводящий параметр порядка соответствует волновой функции сверхпроводящих электронов | ψ | e в теории Гинзбурга – Ландау [17]. Магнитный поток Φ в сверхпроводящем контуре индуктивности L обеспечивает увеличение сверхпроводящей фазы вдоль контура и приводит к постоянному циркулирующему току I = Φ / L .Это соотношение аналогично закону Ома I = В / R . Это позволяет писать линейные уравнения Кирхгофа для сверхпроводящих цепей.

Квантование магнитного потока вводит фундаментальное различие между работой КМОП и сверхпроводящих схем. Это следует из однозначности волновой функции сверхпроводящих электронов.Действительно, увеличение сверхпроводящей фазы вдоль петли соответствует магнитному потоку как (где Φ 0 = ч /2 e ≈ 2 × 10 −15 Вт - квант магнитного потока, ч - постоянная Планка, e - заряд электрона). Для этого требуется (где n - целое число) и, следовательно, Φ = n Φ 0 . Соответственно, магнитный поток в сверхпроводящей петле может принимать только значения, которые являются целыми кратными кванту потока.

Физическое представление информации обычно основано на квантовании магнитного потока. Например, наличие или отсутствие SFQ в сверхпроводящем контуре можно рассматривать как логическую единицу, «1», или ноль, «0». Обратите внимание, что информация физически локализована в таком представлении. Это принципиальное отличие от представления информации в полупроводниковых схемах.Локализация приводит к глубокой аналогии между сверхпроводящими логическими ячейками и клеточными автоматами фон Неймана [16], где преобладают короткодействующие взаимодействия.

Нелинейным элементом в сверхпроводящих цепях является джозефсоновский переход. Это слабое звено между двумя сверхпроводниками, например, наиболее часто используемая сэндвич-структура сверхпроводник-изолятор-сверхпроводник (СИС).Одним из важнейших параметров джозефсоновского перехода является его критический ток, I c . Это максимальный сверхпроводящий ток, который может протекать через переход. Джозефсоновский переход можно переключить из сверхпроводящего в резистивное состояние, увеличив ток выше I c . Переход в резистивное состояние позволяет изменять магнитный поток в сверхпроводящем контуре и, следовательно, выполнять цифровую логическую операцию.

Динамика SIS-перехода обычно описывается в рамках модели резистивно-шунтированного перехода с емкостью (RSJC) [18]. В этой модели джозефсоновский переход представлен как параллельное соединение самого перехода, пропускающего только сверхпроводящий ток, I с , и резистора и конденсатора с соответствующими токами, I r = В / R и I cap = C (∂ V / ∂ t ), где t - время.Полный ток через переход равен сумме, I = I с + I r + I cap . Эта модель основана на эффектах Джозефсона постоянного и переменного тока, которые определяют сверхпроводящий ток I s и напряжение В .

Эффект Джозефсона постоянного тока описывает сверхпроводящее фазовое соотношение тока (CPR).Для SIS-переходов это I s = I c sin φ, где - разность фаз сверхпроводящего параметра порядка через джозефсоновский переход. Это называется фазой Джозефсона. Представляя связь между фазой сверхпроводящего параметра порядка и магнитным потоком как φ = 2πΦ / Φ 0 , мы отмечаем, что CPR связывает ток с магнитным потоком в сверхпроводящей петле. Соответственно, джозефсоновский переход действует как нелинейная индуктивность в цепях.

Эффект Джозефсона переменного тока связывает напряжение на джозефсоновском переходе в резистивном состоянии с эволюцией сверхпроводящей фазы как В = (Φ 0 / 2π) [∂φ / ∂ t ]. В соответствии с этим соотношением увеличение джозефсоновской фазы на 2π сопровождается импульсом напряжения на переходе таким образом, что В d t = Φ 0 .Следовательно, однократное переключение джозефсоновского перехода в резистивное состояние соответствует прохождению импульса SFQ через переход. Энергия, рассеиваемая в процессе переключения, составляет E Дж I c Φ 0 ≈ 2 × 10 −19 Дж, принимая типичное значение I c ≈ 0,1 мА. Типичное значение критического тока зависит от рабочей температуры (жидкий гелий), Тл = 4,2 К. Для правильной работы цепей оно должно быть примерно на три порядка выше, чем эффективное значение тока шума, I T = ( 2π / Φ 0 ) k B T ≈ 0.18 мкА, где k B - постоянная Больцмана.

Характерная частота процесса переключения джозефсоновского перехода ω c определяется параметрами джозефсоновского перехода ω c = (2π / Φ 0 ) I c R n , где I c R n - характеристическое напряжение джозефсоновского перехода, при этом R n - сопротивление перехода в нормальном состоянии.Так как переходы SIS обладают большой емкостью, они обычно шунтируются внешними резисторами, чтобы избежать резонансов LC . Сопротивление R n примерно равно сопротивлению шунта, R n R s , потому что R s намного меньше сопротивления туннельного перехода. Для переходов на основе Nb характерная частота порядка ω c / 2π ≈ 100–350 ГГц (характеристическое напряжение около 0.2–0,7 мВ). Сверхпроводящие цифровые схемы преимущественно основаны на туннельных переходах из-за высокой точности процесса их изготовления и высоких характеристических частот.

Выражая токи I s , I r и I cap модели RSJC через фазу Джозефсона φ, мы можем представить полный ток, протекающий через переход, в следующей форме:

(1)

где β c = ω c R n C - параметр Стюарта – Маккамера, отражающий влияние емкости, а точки обозначают производную по времени.Уравнение 1 полностью аналогично уравнению для механического маятника с моментом инерции (емкость здесь аналогична массе), коэффициентом вязкости 1 / ω c (сопротивление определяет демпфирование) и приложенным крутящим моментом I / Я c . Эта простая аналогия позволяет рассматривать сверхпроводящую цифровую схему как сеть связанных маятников. Поворот маятника на 2π сопровождается последующими колебаниями вокруг точки устойчивого равновесия (рис. 1).В динамике джозефсоновских контактов они называются «плазменными колебаниями». Частота плазменных колебаний ω p = =. Для правильной работы логической ячейки эти колебания должны исчезнуть до последующего переключения джозефсоновского перехода. Соответствие этому требованию может быть достигнуто за счет β c ≈ 1, ω p ≈ ω c . Тактовая частота соответственно меньше, чем ω c , и ниже 100 ГГц в практических схемах.

Рисунок 1: Импульс напряжения на джозефсоновском переходе, соответствующий переходу SFQ, и его механическая аналогия с вращением маятника.

Рисунок 1: Импульс напряжения на джозефсоновском переходе, соответствующий переходу SFQ и его механической аналогии ...

Сложность сверхпроводящей схемы, реализуемой на кристалле, определяется размерами джозефсоновского перехода.Площадь джозефсоновского перехода тесно связана с его критической плотностью тока, j c . Этот параметр является одним из наиболее важных в стандартном процессе изготовления туннельных переходов на основе ниобия. Это фиксируется свойствами материала изоляционной прослойки Al 2 O 3 между сверхпроводящими ниобиевыми электродами, а ее толщина d ≈ 1 нм. Значение критической плотности тока обычно находится в диапазоне j c = 10–100 мкА / мкм 2 .Соответствующая удельная емкость джозефсоновского перехода составляет c ≈ 40–60 фФ / мкм 2 . Изменение критического тока джозефсоновского перехода, I c = aj c , получается изменением его площади, a . Это сопровождается изменением емкости джозефсоновского перехода, C = ac . Сопротивление шунта регулируется в соответствии с условием β c = 1, as.Его площадь определяется площадью джозефсоновского перехода, a , минимальным размером элемента проводки [19,20] (примерно 0,5–1 мкм) и сопротивлением листа используемого материала (2–6 Ом на квадрат для Mo или MoN x ) [19,20].

В то время как площадь слабых звеньев самого джозефсоновского перехода обычно составляет a ≈ 1 мкм 2 для j c = 100 мкА / мкм 2 , его общая площадь с шунтом больше на порядок величина.Соответствующая доступная плотность джозефсоновских переходов на кристалле составляет 10 7 / см 2 . Сложность сверхпроводящих цепей ограничивается 2,5 миллионами переходов на квадратный сантиметр в предположении, что только четверть площади кристалла может быть занята джозефсоновскими переходами (с учетом межсоединений) [19]. Схемы могут быть дополнительно расширены с использованием технологии многокристальных модулей (MCM) [21,22].

Цифровая квантовая логика с одним потоком

Основные принципы работы схем SFQ: Обработку данных в схемах SFQ можно обсудить на примере работы ячейки RSFQ.Шина данных RSFQ показана на рисунке 2. Это параллельный массив сверхпроводящих контуров, состоящий из джозефсоновских переходов (показаны крестиками) и сверхпроводящих индуктивностей. Эта структура называется линией передачи Джозефсона (JTL). SFQ может передаваться по этой JTL путем последовательного переключения джозефсоновских контактов. Переключение достигается суммированием циркулирующего тока SFQ и приложенного тока смещения I b . Переход джозефсоновского перехода в резистивное состояние приводит к перераспределению циркулирующего тока SFQ в сторону следующего перехода.Процесс перераспределения заканчивается переключением следующего перехода и последовательным возвращением текущего перехода в сверхпроводящее состояние.

Рисунок 2: Линия передачи Джозефсона.Джозефсоновские переходы показаны крестиками. I b - приложенный ток смещения. Синяя стрелка показывает циркулирующий ток SFQ. Оранжевой стрелкой выделен джозефсоновский переход в резистивном состоянии.

Рисунок 2: Линия передачи Джозефсона. Джозефсоновские переходы показаны крестиками. I b - приложенный ток смещения...

Этот пример показывает основной принцип работы логических ячеек SFQ. Это сводится к суммированию токов, которые представляют собой токи SFQ и токи смещения. Это суммирование приводит (или не приводит) к последовательному переключению джозефсоновских контактов, что приводит к воспроизведению (или нет) SFQ. Согласно соглашению RSFQ [16,23], прибытие импульса SFQ в течение периода тактовой частоты в логическую ячейку имеет значение двоичной «1», в то время как отсутствие импульса SFQ означает «0».

На рисунке 3 показан пример синхронизированного считывания информации из логической ячейки RSFQ. Тактирование осуществляется с помощью приложения SFQ к ячейке. Верхний JTL на рисунке 3 используется для распределения тактовых импульсов SFQ. SFQ назначаются ячейке через дополнительную ветвь, связанную с JTL, как показано. Обратите внимание, что джозефсоновский переход клонирует SFQ в точке ветвления.Операция считывания производится парой стыков, отмеченных пунктирным прямоугольником. Эту пару обычно называют парой принятия решений. Наличие (или отсутствие) циркулирующего тока SFQ в контуре логической ячейки заставляет нижний переход быть ближе (или дальше от) к его критическому току по сравнению с верхним переходом. Тактовый SFQ переключает нижний (или верхний) переход соответственно. Воспроизведение SFQ нижним соединением означает логическую «1» на выходе, в то время как отсутствие SFQ означает логический «0».

Рисунок 3: Логическая ячейка RSFQ, соединенная с синхронизирующим JTL. I b - приложенный ток смещения. Синие стрелки показывают циркулирующие токи SFQ.Оранжевыми стрелками выделены джозефсоновские переходы в резистивном состоянии. Пунктирным прямоугольником обозначена пара, принимающая решение.

Рисунок 3: Логическая ячейка RSFQ, соединенная с синхронизирующим JTL. I b - приложенный ток смещения. Синие стрелки присутствуют ...

В представленном примере можно увидеть несколько характерных особенностей схем SFQ.Логическая ячейка действует как конечный автомат. Его вывод зависит от истории его ввода. Эта конкретная ячейка работает как широко используемый D-триггер («D» означает «данные» или «задержка»), которые являются основой регистров сдвига. Отметим, что его реализация намного проще, чем у полупроводниковых аналогов. Базовые ячейки RSFQ являются триггерами, поэтому логика RSFQ является последовательной логикой. Это контрастирует с полупроводниковой логикой, которая является комбинационной (где выход логической ячейки является функцией только ее текущего входа).Поскольку в течение периода тактовой частоты выполняется только одна синхронизированная операция (некоторые операции могут выполняться асинхронно), этап обработки в схемах RSFQ сокращается до нескольких логических ячеек. Это также полностью противоположно обычным полупроводниковым схемам.

Логика RSFQ: Логика RSFQ доминирует в сверхпроводниковой цифровой технологии с 1990-х годов [24].На его основе реализованы многие цифровые и смешанные устройства, такие как аналого-цифровые преобразователи [25,26], цифровые процессоры сигналов и данных [27]. К сожалению, во времена развития RSFQ энергоэффективность не имела значения. Вначале считалось, что высокая тактовая частота является основным преимуществом RSFQ. Чрезвычайно быстрый цифровой делитель частоты на основе RSFQ [28] (T-триггер) был представлен примерно через десять лет после изобретения логики RSFQ. Его тактовая частота достигла 770 ГГц.Это по-прежнему одна из самых быстрых цифровых схем.

Первыми базовыми ячейками RSFQ были сверхпроводящие контуры с двумя джозефсоновскими переходами (широко известные как сверхпроводящие устройства квантовой интерференции, SQUID). Эти элементы были соединены резисторами [23,29] (поэтому «R» в аббревиатуре означает «резистивный»). Муфта шины питания также была резистивной.В то время как резисторы, соединяющие ячейки, довольно быстро были заменены на сверхпроводящие индуктивности и джозефсоновские переходы [30], резисторы в линиях питания оставались до последних лет, см. Рисунок 4. Они определяли стационарную рассеиваемую мощность, P S = I b В b , где I b и В b - это постоянный ток смещения и соответствующее напряжение. Ток смещения обычно составляет I b ≈ 0.75 Я c . Напряжение смещения должно быть на порядок выше характеристического напряжения джозефсоновского перехода, В b ≈ 10 × I c R n , чтобы предотвратить перераспределение смещения. текущий. Это требование определило номиналы резисторов смещения. Типичное стационарное рассеивание мощности ячейки RSFQ [11] составляет P S ≈ 800 нВт.

Рисунок 4: Схема питания RSFQ.

Рисунок 4: Схема питания RSFQ.

Еще одним механизмом, приводящим к рассеянию мощности, является переключение джозефсоновских переходов. Это динамическое рассеяние мощности определяется как P D = I b Φ 0 f , где f - тактовая частота.Для типичной тактовой частоты 20 ГГц значение P D находится на уровне [11] ок. 13 нВт. Это означает, что динамическое рассеивание мощности примерно в 60 раз меньше, чем стационарное рассеивание. Следовательно, основные усилия по повышению энергоэффективности цепей RSFQ были направлены на уменьшение стационарного рассеивания энергии. Энергоэффективные преемники RSFQ, то есть LV-RSFQ, ERSFQ и eSFQ, представлены ниже.

Low Voltage-RSFQ: Первым шагом к снижению P S было снижение напряжения смещения.Перераспределение тока смещения между соседними ячейками в низковольтном RSFQ (LV-RSFQ) подавляется введением индуктивностей, включенных последовательно с резисторами смещения в линиях питания [31-35]. К сожалению, такой подход ограничивает тактовую частоту. Действительно, увеличение тактовой частоты сопровождается увеличением среднего напряжения на ячейке (в соответствии с эффектом Джозефсона переменного тока). Это, в свою очередь, приводит к уменьшению тока смещения пропорционально. Последнее в конечном итоге приводит к нарушению работы клетки [36].Этот компромисс и требование дополнительной площади схемы для индуктивностей в линиях питания практически ограничивают применение этого подхода. Поскольку статическое рассеяние мощности не устранено, это несколько нерешительное решение. На смену ему пришли две другие версии RSFQ (ERSFQ и eSFQ, где «E / e» означает «энергоэффективный»), где P S равно нулю.

Энергосберегающий RSFQ: ERSFQ [37] - следующий логический шаг после LV-RSFQ.Резисторы в линиях питания заменяются джозефсоновскими переходами, ограничивающими изменение тока смещения в этой логике, см. Рисунок 5. Эта замена в некоторой степени аналогична той, которая была сделана для резисторов, соединяющих ячейки SQUID в самых первых схемах RSFQ. Это дает возможность схемам находиться в чисто сверхпроводящем состоянии.

Рисунок 5: Схема питания ERSFQ. L b - индуктивность, ограничивающая изменение тока смещения.

Рисунок 5: Схема питания ERSFQ. L b - индуктивность, ограничивающая изменение тока смещения.

Основная трудность при устранении резисторов смещения - это образование сверхпроводящих контуров между логическими ячейками.Обычно логические ячейки переключаются асинхронно в зависимости от обрабатываемых данных. Среднее напряжение и общий приращение фазы Джозефсона у них разные. Это приводит к возникновению токов, циркулирующих по соседним ячейкам. Эти токи, добавленные к току смещения, мешают правильной работе цепей. Неуравновешенность джозефсоновского набега фазы автоматически компенсируется соответствующими переключениями джозефсоновских переходов, помещенных в линии питания ERSFQ. Поскольку эти переключения не синхронизированы с часами, некоторое немедленное изменение тока смещения все еще возможно.Это изменение Δ I ≈ Φ 0 / L b ограничено индуктивностью L b , соединенной последовательно с джозефсоновским переходом в линии питания. Хотя большое значение этой индуктивности L b минимизирует изменение тока смещения, его большой геометрический размер увеличивает площадь цепи (аналогично LV-RSFQ). Возможные решения этой проблемы - увеличение количества слоев разводки и / или использование сверхпроводящих материалов, имеющих высокую кинетическую индуктивность.Эти материалы также могут быть использованы для дальнейшей миниатюризации самих логических ячеек [19].

Энергосберегающий SFQ: Другой энергосберегающей логикой в ​​семействе RSFQ является eSFQ [11,38-40]. Основная идея здесь - «синхронная фазовая балансировка». К паре принятия решения прикладывается ток смещения, см. Рис. 6. Один джозефсоновский переход этой пары всегда переключается в течение тактового цикла независимо от содержания данных.Следовательно, среднее напряжение и приращение фазы Джозефсона всегда равны для любой такой пары. Это предотвращает появление паразитных циркулирующих токов. Джозефсоновский переход в линии питания требуется только для настройки надлежащего баланса фаз во время процедуры включения. «Не ожидается переключения во время нормальной работы схемы» [11].

Рисунок 6: Схема питания eSFQ.Пунктирным прямоугольником обозначена пара, принимающая решение.

Рисунок 6: Схема питания eSFQ. Пунктирным прямоугольником обозначена пара, принимающая решение.

Достигнутый фазовый баланс позволяет убрать большую индуктивность с линий питания ERSFQ, и поэтому схемы eSFQ занимают почти ту же площадь, что и схемы RSFQ.Следует отметить, что, несмотря на «синхронный» характер этой логики, в [39] был предложен метод проектирования асинхронных схем на основе eSFQ, что делает его пригодным для архитектур с волновым конвейером.

Поскольку библиотека RSFQ была разработана без учета синхронной фазовой балансировки, переход на eSFQ требует исправления.В некоторых случаях это приводит к увеличению количества джозефсоновских контактов. Например, JTL следует заменить регистром сдвига [41], или «Wave JTL» [39], или одним из его асинхронных аналогов: баллистической линией передачи, основанной на неуправляемых джозефсоновских переходах [42,43] или пассивной микрополосковой полосе. линия. Сходство подходов ERSFQ и eSFQ позволяет оценить общее увеличение количества джозефсоновских переходов до 33-40% по сравнению со схемами RSFQ [11]. Наследование базовой структуры ячеек RSFQ от ERSFQ упрощает использование.

Общие черты логики семейства RSFQ: Тактовый сигнал фактически является частью данных в схемах ERSFQ. Это означает, что они глобально асинхронны. Поскольку тактовая частота определяется частотой повторения SFQ в синхронизирующем JTL, ее можно регулировать «в полете» логическими ячейками в соответствии с обработанными данными.Источник напряжения смещения может быть реализован как JTL, питаемый постоянным током смещения, для которого входным сигналом является тактовый сигнал SFQ, подаваемый от встроенного тактового генератора SFQ, см. Рисунок 7. Среднее напряжение на этом JTL пропорционально тактовая частота, согласно ac-эффекту Джозефсона. Управление часами с помощью логических ячеек позволяет регулировать напряжение или даже отключать его. Последний вариант соответствует переходу цепей в «спящий режим», в котором рассеиваемая мощность равна нулю. Реализация этого механизма энергосбережения на уровне отдельных цепей возможна путем разделения цепей на последовательное соединение островков с одинаковым током смещения, но разным напряжением смещения [44].

Рисунок 7: Реализация источника постоянного напряжения смещения в схемах RSFQ.

Рисунок 7: Реализация источника постоянного напряжения смещения в схемах RSFQ.

Поскольку логические ячейки запитываются параллельно в схеме RSFQ, общий ток смещения увеличивается пропорционально количеству джозефсоновских переходов. Для одного миллиона джозефсоновских переходов значение тока смещения может быть неоправданно высоким I b ≈ 100 A. Разделение цепей поддерживает его на приемлемом уровне [45] ниже 3 A.

Взаимная квантовая логика: RQL был предложен примерно в 2008 году. Он был разработан как альтернатива обычному RSFQ и представлен как «сверхмаленькая сверхпроводниковая логика» [46]. Основное отличие RQL от RSFQ - это схема питания [47]. В то время как в RSFQ мощность постоянного тока подается на джозефсоновские переходы параллельно через резисторы смещения (рисунок 4), в RQL мощность переменного тока подается последовательно через трансформаторы смещения, см. Рисунок 8.

Рисунок 8: Схема источника питания переменного тока RQL. Синяя стрелка показывает ток SFQ, фиолетовые стрелки показывают магнитную связь.

Рисунок 8: Схема источника питания переменного тока RQL.Синяя стрелка показывает ток SFQ, фиолетовые стрелки показывают магнитный ко ...

Предложенная схема питания обладает рядом преимуществ: (i) Отсутствие постоянного тока смещения и отсутствие резисторов смещения означает нулевое статическое рассеяние мощности внутри криогенного охладителя. Ток смещения снимается с микросхемы при комнатной температуре.(ii) Хорошо известной проблемой проектирования схем RSFQ является сильное магнитное поле обратного тока смещения, влияющее на логические ячейки. Рекомендуется

.

6.4. Инверторы: принцип работы и параметры

6.4. Инверторы: принцип работы и параметры

Теперь давайте увеличим масштаб и подробнее рассмотрим один из ключевых компонентов цепи согласования мощности - инвертор . Практически любые солнечные системы любого масштаба включают инвертор того или иного типа, позволяющий использовать электроэнергию на месте для устройств с питанием от переменного тока или от сети. Различные типы инверторов показаны на Рисунке 11.1 в качестве примеров. Доступные модели инверторов теперь очень эффективны (эффективность преобразования энергии более 95%), надежны и экономичны.В масштабах энергосистемы основные проблемы связаны с конфигурацией системы, чтобы обеспечить безопасную работу и снизить потери преобразования до минимума.

Рисунок 11.1. Инверторы: малогабаритный инверторный блок для бытового использования (слева) и инверторы Satcon для коммунальных служб (справа)

Три наиболее распространенных типа инверторов, предназначенных для питания нагрузок переменного тока, включают: (1) синусоидальный инвертор (для общих приложений), (2) модифицированный прямоугольный инвертор (для резистивных, емкостных и индуктивных нагрузок) и (3) прямоугольный преобразователь (для некоторых резистивных нагрузок) (MPP Solar, 2015).Эти типы волн были кратко представлены в Уроке 6 (рис. 11.2). Здесь мы более подробно рассмотрим физические принципы, используемые инверторами для создания этих сигналов.

Рисунок 11.2. Различные типы сигналов переменного тока, создаваемые инверторами.

Кредит: Марк Федькин

Процесс преобразования постоянного тока в переменный основан на явлении электромагнитной индукции. Электромагнитная индукция - это создание разности электрических потенциалов в проводнике, когда он подвергается воздействию переменного магнитного поля.Например, если вы поместите катушку (катушку с проволокой) рядом с вращающимся магнитом, в катушке будет индуцироваться электрический ток (рисунок 11.3).

Рисунок 11.3. Схематическое изображение электромагнитной индукции

Кредит: Марк Федькин

Затем, если мы рассмотрим систему с двумя катушками (рисунок 11.4) и пропустим постоянный ток через одну из них (первичную катушку), эта катушка с постоянным током может действовать аналогично магниту (поскольку электрический ток создает магнитное поле). Если направление тока часто меняется на противоположное (например,g., через переключающее устройство), переменное магнитное поле будет индуцировать переменный ток во вторичной катушке.

Рисунок 11.4. Инверторные циклы. Во время 1-го полупериода (вверху) постоянный ток от источника постоянного тока - солнечного модуля или батареи - включается через верхнюю часть первичной катушки. Во 2-м полупериоде (внизу) через нижнюю часть катушки включается постоянный ток.

Кредит: Марк Федькин

Простая двухцикловая схема, показанная на рисунке 11.4, выдает прямоугольный сигнал переменного тока.Это простейший случай, и если инвертор выполняет только этот шаг, это прямоугольный инвертор. Этот тип вывода не очень эффективен и может даже нанести вред некоторым нагрузкам. Таким образом, прямоугольную волну можно дополнительно модифицировать с помощью более сложных инверторов для получения модифицированной прямоугольной волны или синусоидальной волны (Dunlop, 2010).

Для получения модифицированного выходного сигнала прямоугольной формы, такого как показанный в центре рисунка 11.2, в инверторе можно использовать управление формой волны низкой частоты. Эта функция позволяет регулировать длительность чередующихся прямоугольных импульсов.Также здесь используются трансформаторы для изменения выходного напряжения. Комбинация импульсов разной длины и напряжения приводит к многоступенчатой ​​модифицированной прямоугольной волне, которая близко соответствует форме синусоидальной волны. Низкочастотные инверторы обычно работают на частоте ~ 60 Гц.

Для получения синусоидального выходного сигнала используются высокочастотные инверторы. В этих инверторах используется метод изменения ширины импульса: коммутируемые токи с высокой частотой и в течение переменных периодов времени. Например, очень узкие (короткие) импульсы имитируют ситуацию низкого напряжения, а широкие (длинные импульсы) моделируют высокое напряжение.Кроме того, этот метод позволяет варьировать интервалы между импульсами: расстояние между узкими импульсами моделирует низкое напряжение (рисунок 11.5).

Рисунок 11.5. Широтно-импульсная модуляция для аппроксимации истинной синусоидальной волны высокочастотным инвертором.

Кредит: Марк Федкин, модифицированный после Данлопа, 2010 г.

На изображении выше синей линией показан прямоугольный сигнал, изменяющийся в зависимости от длины импульса и времени между импульсами; красная кривая показывает, как эти переменные сигналы моделируются синусоидальной волной.Использование очень высокой частоты помогает создавать очень плавные изменения ширины импульса и таким образом моделировать истинный синусоидальный сигнал. Метод широтно-импульсной модуляции и новые цифровые контроллеры позволили создать очень эффективные инверторы (Dunlop, 2010).

.

ГЕНЕРАТОРЫ

Динамо-машина, изобретенная Фарадеем в 1831 году, безусловно, является примитивным устройством по сравнению с мощными, высокоэффективными генераторами и генераторами переменного тока, которые используются сейчас. Тем не менее, эти машины работают по тому же принципу, что и изобретенный великим английским ученым. Когда его спросили, в чем польза его нового изобретения, Фарадей в свою очередь спросил: «Какая польза от новорожденного ребенка?» Собственно говоря, новорожденный ребенок вскоре стал незаменимым устройством, без которого нам не обойтись.

Несмотря на то, что они используются для работы определенных устройств, требующих для работы небольших токов, батареи и элементы вряд ли будут обеспечивать свет, тепло и энергию в больших масштабах. Нам нужно электричество, чтобы зажигать миллионы ламп, управлять поездами, поднимать вещи и приводить в движение машины. Батареи не могли обеспечить достаточно электричества для выполнения всей этой работы.

Что используются динамо-электрические машины, с помощью которых механическая энергия преобразуется непосредственно в электрическую с потерей лишь нескольких процентов.Подсчитано, что они производят более 99,99% всей электроэнергии в мире.

Есть два типа динамо-машин: генераторы и генераторы переменного тока. Первый подает d-c, который подобен току от батареи, а второй, как следует из названия, обеспечивает a-c. Для выработки электричества они оба должны постоянно получать энергию из какого-либо внешнего источника механической энергии, такого как паровые двигатели, паровые турбины или водяные турбины.

И генераторы, и генераторы переменного тока состоят из следующих основных частей: якоря и электромагнита.Электромагнит генератора постоянного тока обычно называют статором, так как он находится в статическом состоянии, в то время как якорь ротора вращается. Генераторы можно разделить на два типа: 1. генераторы со стационарным якорем и вращающимся электромагнитом; 2. генераторы, якорь которых служит ротором, но это делается редко. Для получения сильного ЭМ Ф,

роторы в больших машинах вращаются со скоростью тысячи оборотов в минуту (об / мин).

Чем быстрее они вращаются, тем большее выходное напряжение производит машина.

Чтобы производить электроэнергию в наиболее экономичных условиях, генераторы должны быть как можно более крупными. В дополнение к этому, они должны быть все время максимально загружены. Здесь интересно отметить, что самые большие генераторы, когда-либо установленные на любой гидроэлектростанции в мире, - это те, которые были установлены в России.

F. Определите следующие термины.

электродвижущая сила, электрическая цепь, эффект нагрева электрическим током, магнитный эффект

электрический ток, электромагнит, генератор, генератор переменного тока, якорь, оборот, шкала, амплитуда.

H. Переведите следующие предложения, используя новое слово stock.

1. Синхронный генератор - единственный тип генератора переменного тока, который сейчас широко используется.

2. Он состоит из блока, создающего магнитное поле (структура поля), и блока, в котором индуцируется ЭДС (якоря).



3. Синхронные генераторы могут быть сконструированы как с якорем, так и с полевой структурой в качестве вращающегося блока.

4. Малогабаритные генераторы изготавливаются с вращающейся арматурой.

5. Требуемое магнитное поле создается электромагнитами постоянного тока, размещенными на неподвижном блоке (статоре), а генерируемый ток собирается с помощью щеток и контактных колец на вращающемся блоке.

6. Все большие синхронные генераторы выполнены с вращающимся полем.

7. Для вращающегося якоря должно быть три контактных кольца, а для низковольтного вращающегося поля - только два.

8. Первичным двигателем синхронного генератора может быть паровая турбина, водяное колесо,

двигатель внутреннего сгорания (чаще всего дизельный), электродвигатель.

9. Якорь имеет пазы, в которые вставляется обмотка якоря.

10. Существует два типа конструкции поля: явнополюсный и цилиндрический или

.

неявнополюсного типа.

11. Явнополюсный тип состоит из стальной поковки цилиндрической формы, на ободе которой расположены сердечники полюсов.

12. На контактных кольцах установлены щетки, подключенные к источнику постоянного тока.

13. Генератор постоянного тока называется возбудителем.

14. Номинальное напряжение возбудителя может быть от 60 до 350 В.

15. Синхронные генераторы могут охлаждаться воздухом или водородом.

16. Водородное охлаждение - хороший способ вентиляции генератора.

I. Прочтите и переведите текст, обращая внимание на грамматику и новые лексические единицы.


Дата: 28 декабря 2014 г .; просмотр: 1192


.

% PDF-1.5 % 3463 0 объект> endobj xref 3463 33 0000000016 00000 н. 0000002411 00000 н. 0000000956 00000 п. 0000002536 00000 н. 0000002894 00000 н. 0000002960 00000 н. 0000003121 00000 п. 0000003188 00000 п. 0000003256 00000 н. 0000003792 00000 н. 0000006358 00000 п. 0000006909 00000 н. 0000012164 00000 п. 0000012534 00000 п. 0000012944 00000 п. 0000013407 00000 п. 0000017766 00000 п. 0000018133 00000 п. 0000018444 00000 п. 0000018797 00000 п. 0000021837 00000 п. 0000022206 00000 п. 0000022406 00000 п. 0000022950 00000 п. 0000023707 00000 п. 0000024337 00000 п. 0000025216 00000 п. 0000026113 00000 п. 0000026240 00000 п. 0000026600 00000 п. 0000027999 00000 н. 0000028271 00000 п. 0000032375 00000 п. трейлер ] >> startxref 0 %% EOF 3465 0 obj> поток xV} LSW "8Cc2> @ (d6 DmЉcUHčE0ldd # & D &] PG˘e @ nC {{)

.

Принципы, эксплуатация и обслуживание судов

Материалы исследования морской инженерии Информация для морских инженеров

Искать:

  • Дом
  • Экзамен MEO
  • Безопасность
    • Пожаротушение
    • Пожарные извещатели
    • Дегазация
  • Общие
    • Котлы
    • Насосы
    • Компрессоры
    • Смазочное масло
    • Очистка сточных вод
    • Система инертного газа
    • Кондиционер
    • КИП
    • Гидравлика
    • Теплообменники
    • Рулевой механизм
    • Холодильное оборудование
    • Коррозия
    • Сварка
    • Очистители
  • Мотор
    • Дизельные двигатели
    • Вибрация
    • Турбокомпрессоры
    • Инструменты
  • Скачать
    • Вопросы и ответы по дизельным двигателям 1
    • Вопросы по MEO, класс 2
    • Контрольные листы MEO класса 1
  • Контрольные списки
  • Военно-морской флот
    • Руль
  • Электрооборудование
  • Квадрокоптер
    • Двигатель и ESC Fire
    • Подключение сонара
.

Смотрите также