Что такое генератор электрического тока. Как работает электрогенератор

Наверняка каждый из нас открыл для себя истину, что наличие домашней электрической сети – не залог того, что ток будет подаваться в ваш дом бесперебойно. А у некоторых из нас имеется собственность в местности, куда электричество просто не проведено. В этом случае есть выход - генератор электрического тока. Речь в статье пойдет о том, как работает это устройство и о критериях его выбора для собственного пользования.

Как работает генератор электрического тока?

Вообще, электрогенераторы – это электрические машины, которые служат для того, чтобы преобразовывать энергию механическую в электрическую. Принцип действия генератора электрического тока работает на явлении электромагнитной индукции. Согласно нему в проводе, который двигается в магнитном поле, наводится ЭДС, то есть электродвижущаяся сила. В генераторе применяются электромагниты в виде обмоток из медного провода или катушек индуктивности. Когда проволочная катушка начинает вращаться, на ней вырабатывается электрический ток. Но это происходит лишь в том случае, если ее витки пересекают магнитное поле.

Виды генераторов электрического тока

В первую очередь электрогенераторы производят постоянный и переменный ток. Электрический генератор постоянного тока, состоящий из неподвижного статора с дополнительными обмотками и вращающегося ротора (якоря), служит для создания постоянного тока. Такие устройства используются в основном на предприятиях металлургии, в общественном транспорте и морских судах.

Электрические генераторы переменного тока превращают из механической энергии переменный ток путем вращения прямоугольного контура вокруг неподвижного магнитного поля или наоборот. То есть ротор за счет вращения в магнитном поле вырабатывает электроэнергию. Причем у генератора переменного тока такие вращающиеся движения совершаются намного быстрее, нежели в генераторе постоянного тока. Кстати, для дома применяются генераторы электрического тока переменного.

Кроме того, различаются генераторы по виду источника энергии. Они бывают ветровыми, или бензиновыми. Самыми популярными изделиями на рынке генераторов электрического тока считаются бензиновые, благодаря довольно простой эксплуатации и сравнительно невысокой стоимости. В целом такой прибор представляет собой генератор, соединенный с бензиновым двигателем. За 1 час работы такое устройство расходует до 2,5 л. Правда, такой генератор подходит лишь для экстренного источника тока, поскольку в сутки они могут вырабатывать ток максимум 12 часов.

Газовый генератор отличается выносливостью и экономностью. Работает такой агрегат как от газопровода, так и от сжиженного газа в баллонах. Хорошим ресурсом работы обладает дизельный электрический генератор тока. Прибор потребляет около 1-3 л топлива в час, но зато намного мощнее и подходит для постоянного электроснабжения даже большого дома.

Экологичностью отличаются ветровые электрогенераторы. К тому же ветер – бесплатное топливо. Однако стоимость самого агрегата высокая, да и габариты его немаленькие.

Как выбрать генератор электрического тока для дома?

Перед покупкой прибора важно определиться с его мощностью. Заранее следует рассчитать суммарную мощность, которая будет потребляться всеми вашими приборами, добавив небольшой запас (около 15-30 %). Кроме того, обратить внимание стоит и на тип топлива. Самыми выгодными считаются генераторы, работающие на газу. Экономным считается дизельный генератор, но сам прибор стоит немало. Бензиновый электрогенератор стоит сравнительно недорого, но топливо расходуется больше. Так же учтите при покупке тип фазы. Трехфазовые генераторы электрического тока, работающие с напряжением 380 В, универсальны. Если у вас нет дома трехфазовых приборов, вам подойдет агрегат, работающий с фазой в 230 В.

Электрическим генератором называется машина или установка, предназначенная для преобразования энергии неэлектрической — в электрическую: механической — в электрическую, химической — в электрическую, тепловой — в электрическую и т. д. Сегодня в основном, произнося слово «генератор», мы имеем ввиду преобразователь механической энергии - в электрическую.

Это может быть дизельный или бензиновый переносной генератор, генератор атомной электростанции, автомобильный генератор, самодельный генератор из асинхронного электродвигателя, или тихоходный генератор для маломощного ветряка. В конце статьи мы рассмотрим в качестве примера два наиболее распространенных генератора, но сначала поговорим о принципах их работы.

Так или иначе, с физической точки зрения принцип работы каждого из механических генераторов — один и тот же: , когда при пересечении линиями магнитного поля проводника - в этом проводнике возникает ЭДС индукции. Источниками силы, приводящей к взаимному перемещению проводника и магнитного поля, могут быть различные процессы, однако в результате от генератора всегда нужно получить ЭДС и ток для питания нагрузки.

Принцип работы электрического генератора — Закон Фарадея

Принцип работы электрического генератора был открыт в далеком 1831 году английским физиком Майклом Фарадеем. Позже этот принцип назвали законом Фарадея. Он заключается в том, что при пересечении проводником перпендикулярно магнитного поля, на концах этого проводника возникает разность потенциалов.

Первый генератор был построен самим Фарадеем согласно открытому им принципу, это был «диск Фарадея» - униполярный генератор, в котором медный диск вращался между полюсами подковообразного магнита. Устройство давало значительный ток при незначительном напряжении.

Позже было установлено, что отдельные изолированные проводники в генераторах проявляют себя гораздо эффективнее с практической точки зрения, чем сплошной проводящий диск. И в современных генераторах применяются теперь именно проволочные обмотки статора (в простейшем демонстрационном случае — виток из проволоки).

Генератор переменного тока

В подавляющем своем большинстве современные генераторы — это синхронные генераторы переменного тока. У них на статоре располагается якорная обмотка, от которой и отводится генерируемая электрическая энергия. На роторе располагается обмотка возбуждения, на которую через пару контактных колец подается постоянный ток, чтобы получить вращающееся магнитное поле от вращающегося ротора.

За счет явления электромагнитной индукции, при вращении ротора от внешнего привода (например от ДВС), его магнитный поток пересекает поочередно каждую из фаз обмотки статора, и таким образом наводит в них ЭДС.

Чаще всего фаз три, они смещены физически на якоре друг относительно друга на 120 градусов, так получается трехфазный синусоидальный ток. Фазы можно соединить по схеме «звезда» либо «треугольник», чтобы получить .

Частота синусоидальной ЭДС f пропорциональна частоте вращения ротора: f = np/60, где — p - число пар магнитных плюсов ротора, n - количество оборотов ротора в минуту. Обычно максимальная скорость вращения ротора — 3000 оборотов в минуту. Если подключить к обмоткам статора такого синхронного генератора трехфазный выпрямитель, то получится генератор постоянного тока (так работают, кстати, все автомобильные генераторы).

Трехмашинный синхронный генератор

Конечно, у классического синхронного генератора есть один серьезный минус — на роторе располагаются контактные кольца и щетки, прилегающие к ним. Щетки искрят и изнашиваются из-за трения и электрической эрозии. Во взрывоопасной среде это не допустимо. Поэтому в авиации и в дизель-генераторах более распространены бесконтактные синхронные генераторы, в частности — трехмашинные.

У трехмашинных устройств в одном корпусе установлены три машины: предвозбудитель, возбудитель и генератор — на общем валу. Предвозбудитель — это синхронный генератор, он возбуждается от постоянных магнитов на валу, генерируемое им напряжение подается на обмотку статора возбудителя.

Статор возбудителя действует на обмотку на роторе, соединенную с закрепленным на ней трехфазным выпрямителем, от которого и питается основная обмотка возбуждения генератора. Генератор генерирует в своем статоре ток.

Газовые, дизельные и бензиновые переносные генераторы

Сегодня очень распространены в домашних хозяйствах , которые в качестве приводных двигателей используют ДВС — двигатель внутреннего сгорания, передающий механическое вращение на ротор генератора.

У генераторов на жидком топливе имеются топливные баки, газовым генераторам — необходимо подавать топливо через трубопровод, чтобы затем газ был подан в карбюратор, где превратится в составную часть топливной смеси.

Во всех случаях топливная смесь сжигается в поршневой системе, приводя во вращение коленвал. Это похоже на работу автомобильного двигателя. Коленвал вращает ротор бесконтактного синхронного генератора (альтернатора).

Андрей Повный

Задумывались ли вы когда-нибудь о том, что питает все ? За счет чего заводится мотор, горят лампочки на приборной панели, движутся стрелки и работают бортовые компьютеры? Откуда берется электричество на борту? Конечно, их вырабатывает генератор и аккумулирует химический накопитель энергии многоразового действия - электрический аккумулятор. Это знают все. Скорее всего, вы также в курсе, что аккумуляторная батарея вырабатывает постоянный ток, который используется в любом автомобиле для запитывания приборов. Однако во всей этой стройной теории, проверенной практикой, присутствует одно странное звено, не желающее поддаваться логике, - генератор вырабатывает ток переменный, тогда как все механизмы на борту машины потребляют ток постоянный. Это не кажется вам странным? Почему так происходит?

На самом деле это интересный вопрос, потому что в этой истории на первый взгляд нет никакого смысла. Если все потребители электричества в вашем автомобиле работают на 12 вольтах постоянного тока, почему автопроизводители больше не используют генераторы, которые производят постоянный ток? Ведь раньше так и делали. Почему необходимо сперва сгенерировать переменный ток, а затем преобразовывать его в постоянное электричество?

Задавшись такого рода вопросами, мы начали докапываться до истины. Ведь есть же в этом какая-то тайная причина. И вот что мы выяснили.

Во-первых, давайте проясним, что мы подразумеваем под переменным и постоянным током. Автомобили используют постоянный ток , или прямой ток, как его еще называют. В названии скрыта суть феномена. Это тип электричества, который производится батареями, он течет в одном постоянном направлении. Этот же тип электричества производился генераторами, которые ставились на первые автомобили с начала 1900-х годов до 60-х годов прошлого века. На старушках и ГАЗ-69 ставились именно генераторы постоянного тока.

Другой вид электричества - переменный ток - назван так из-за того, что он периодически обращает течение по направлению, а также изменяется по величине, сохраняя свое направление в электрической цепи неизменным. Доступ к этому типу электричества можно получить в любой розетке обычной квартиры по всему миру. Мы используем его для питания электроприборов в частных домах, зданиях, огни больших городов также дают свет благодаря переменному току, потому что его легче передавать на большие расстояния.

Большая часть электроники, в том числе почти вся в вашем автомобиле, использует постоянный ток, преобразуя переменный ток в постоянный для выполнения полезной работы. В бытовых приборах установлены так называемые блоки питания, в которых происходит конвертация одного вида энергии в другой. Побочным результатом работы преобразования является немного тепла на выходе. Чем сложнее бытовая утварь, к примеру компьютер или Smart TV, тем сложнее цепочка преобразований. В некоторых случаях переменный ток частично не изменяется, а лишь корректируется его частота. Поэтому очень важно при замене вышедшего из строя блока питания заменять его на оригинальный, требуемого типа. Иначе технике наступит очень быстрый конец.

Но что-то мы отошли от главных вопросов, поставленных на повестку дня сегодня.

Итак, зачем в автомобилях вырабатывать «неправильный» вид электричества?

В общем, ответ очень прост: таков принцип работы генератора переменного тока. Наиболее высокий КПД при переводе механической энергии вращения двигателя в электрическую энергию происходит именно по такому принципу. Но есть нюансы.

Кратко принцип работы автомобильного генератора таков:

При включении зажигания на обмотку возбуждения подается напряжение через блок щеток и контактные кольца.

Инициируется появление магнитного поля.

Магнитное поле воздействует на обмотки статора, что приводит к появлению электрического переменного тока.

Завершающая стадия «готовки» правильного тока - регулятор напряжения.

После всего процесса часть электричества запитывает электропотребители, часть идет на подзарядку аккумулятора, некоторая часть уходит обратно на щетки альтернатора (так когда-то называли генератор переменного тока) для самовозбуждения генератора.

Выше был описан принцип работы современного генератора переменного тока, но так было не всегда. Ранние автомобили с двигателями внутреннего сгорания использовали магнето - простейшее приспособление для преобразования механической энергии в электрическую (переменного тока). Внешне, да и внутренне, эти машинки были даже схожи с более поздними генераторами, но использовались на очень простых автомобильных электрических системах без батарей. Все было просто и безотказно. Не зря некоторые сохранившиеся до наших времен 90-летние автомобили заводятся до сих пор.

Индукторы (второе название магнето) впервые были разработаны человеком с неподражаемым именем - Ипполит Пикси.

На данный момент мы с вами выяснили, что тип вырабатываемого генераторами тока зависит от продуктивности перевода механической энергии в электрическую, но также немаловажную роль во всей этой истории сыграло снижение массы и габаритов устройства по сравнению с аналогичными по мощности устройствами-производителями постоянного тока. Разница в весе и габаритах оказалась почти в три раза! Но есть еще один секрет, почему автомобильные генераторы сегодня вырабатывают переменный ток. Вкратце это более передовой эволюционный путь развития генераторов постоянного тока, которых, признаться честно, по сути, и не существовало в чистом виде.

Историческая справка:

Более того, генераторы постоянного тока на самом деле также производили переменный ток, когда якорь (подвижная часть) вращался внутри статора (внешний «корпус», который имеет постоянное магнитное поле). Разве что частота тока была иной и «сгладить» ее в постоянный ток можно было проще - при помощи коммутатора.

Коммутатором тогда называлось механическое приспособление с вращающимся цилиндром, поделенным на сегменты с щетками для создания электрического контакта.

Система работала, но была неидеальна. В ней было множество механических частей, контактные щетки быстро изнашивались, и общая надежность системы была так себе. Тем не менее это был лучший способ получить постоянный ток, который был нужен вам для зарядки аккумулятора и системы запуска автомобиля.

Так было до конца 1950-х годов, когда начала появляться твердотельная электроника, ставшая решением проблемы преобразования переменного тока в постоянный посредством кремниевых диодных выпрямителей.

Эти выпрямители тока (иногда называемые диодным мостом) показали себя с гораздо лучшей стороны в качестве преобразователей переменного тока в постоянный, что, в свою очередь, позволило использовать более простые, а значит, более надежные генераторы переменного тока в автомобилях.

Первым зарубежным автопроизводителем, который развил эту идею и вывел ее на рынок легковых автомобилей, был Chrysler, имевший опыт работы с выпрямителями и электронными регуляторами напряжения благодаря исследовательской работе, спонсируемой Министерством обороны США. В Википедии отмечается, что американская разработка «…повторяла разработку авторов из СССР» , первая конструкция генератора переменного тока была представлена в Советском Союзе за шесть лет до этого. Единственным, но важным улучшением американцев стало применение кремниевых выпрямительных диодов вместо селеновых.

Электричества, которое генерирует человек, может хватить для зарядки мобильного телефона. Наши нейроны находятся под постоянным напряжением, а разницу между жизнью и смертью можно определять по электрическим волнам на энцефалограмме.

Лечение скатами

Как-то в Древнем Риме сын богатого архитектора и начинающий врач, Клавдий Гален прогуливался по берегу Средиземного моря. И тут его глазам предстало весьма странное зрелище – навстречу ему шли два жителя близлежащих деревушек, к головам которых были привязаны электрические скаты! Так история описывает первый известный нам случай применения физиотерапии при помощи живого электричества. Метод был взят Галеном на заметку, и столь необычным способом он спасал от боли после ранений гладиаторов, и даже излечил больную спину самого императора Марка Антония, который вскоре после этого назначил его личным врачом.

После этого человек не раз сталкивался с необъяснимым явлением «живого электричества». И опыт не всегда был положительный. Так, однажды, в эпоху великих географических открытий, у берегов Амазонки, европейцы столкнулись с местными электрическими угрями, которые генерировали электрическое напряжение в воде до 550 вольт. Горе было тому, кто случайно попадал в трехметровую зону поражения.

Электричество в каждом

Но впервые наука обратила внимание на электрофизику, а точнее на способность живых организмов вырабатывать электричество, после презабавного случая с лягушачьими лапками в XVIII, которые в один ненастный день где-то в Болонье, начинали дергаться от соприкосновения с железом. Зашедшая в лавку мясника за французским деликатесом, жена болонского профессора Луиджи Гальватти, увидела эту ужасную картину и рассказала мужу о нечистой силе, которая бушует по соседству. Но Гальватти посмотрел на это с научной точки зрения, а спустя 25 лет упорных трудов вышла его книга «Трактаты о силе электричества при мышечном движении». В ней ученый впервые заявил – электричество есть в каждом из нас, а нервы это своеобразные «электропроводы».

Как это работает

Как же человек генерирует электричество? Всему причиной многочисленные биохимические процессы, которые происходят на клеточном уровне. Внутри нашего организма присутствует множество разных химических веществ – кислород, натрий, кальций, калий и многие другие. Их реакции друг с другом и вырабатывают электрическую энергию. Например, в процессе «клетчатого дыхания», когда клетка высвобождает энергию, полученную от воды, углекислого газа и так далее. Она, в свою очередь откладывается в особые химические макроэргические соединения, условно назовем это «хранилищами», и впоследствии используется «по мере необходимости».

Но это всего лишь один из примеров – в нашем теле много химических процессов, которые вырабатывают электричество. Каждый человек – это настоящая электростанция, и ее вполне можно использовать в быту.

Много ли мы производим ватт?

Энергия человека как альтернативный источник питания уже давно перестала быть мечтой фантастов. У людей большие перспективы в качестве генераторов электричества, его можно вырабатывать практически из любого нашего действия. Так, от одного вдоха можно получить 1 Вт, а спокойного шага хватит, чтобы питать лампочку в 60 Вт, да и зарядить телефон будет достаточно. Так что проблему с ресурсами и альтернативными источниками энергии, человек может решить, в буквальном смысле, сам.

Дело за малым – научиться передавать энергию, которую мы столь бесполезно растрачиваем, «куда надо». И у исследователей уже есть предложения на этот счет. Так, активно изучается эффект пьезоэлектричества, который создает напряжение из механического воздействия. На его основе еще в 2011 году австралийские ученые предложили модель компьютера, который заряжался бы от нажатия клавиш. В Корее разрабатывают телефон, который будет заряжаться от разговоров, то есть от звуковых волн, а группа ученых из Georgia Institute of Technology создала действующий прототип «наногенератора» из оксида цинка, который вживляется в человеческое тело и вырабатывает ток от каждого нашего движения.

Но это еще не все, в помощь солнечным батареям в некоторых городах собираются получать энергию из часа пик, точнее от вибраций при ходьбе пешеходов и машин, а потом использовать ее для освещения города. Такую идею предложили лондонские архитекторы из фирмы Facility Architects. По их словам: «В часы пик через вокзал Виктория за 60 минут проходит 34 тысячи человек. Не нужно быть математическим гением, чтобы понять - если удастся применять эту энергию, то может фактически получиться очень полезный источник энергии, которая в настоящее время расходуется впустую». Кстати, японцы уже используют для этого турникеты в Токийском метро, через которые каждый день проходят сотни тысяч человек. Все-таки железные дороги – основные транспортные артерии Страны Восходящего солнца.

«Волны смерти»

Кстати, живое электричество является причиной многих весьма странных явлений, которые наука объяснить до сих пор не в силах. Пожалуй, самое известное из них – «волна смерти», открытие которой повлекло новый этап споров о существовании души и о природе «околосмертного опыта», о котором иногда рассказывают люди, пережившие клиническую смерть.

В 2009 году в одной из американских больниц были сняты энцефолограммы у девяти умирающих людей, которых на тот момент было уже не спасти. Эксперимент проводился, чтобы разрешить давний этический спор о том, когда человека действительно мертв. Результаты были сенсационными – после смерти у всех испытуемых мозг, который уже должен был быть умерщвлён, буквально взрывался – в нем возникали невероятно мощные всплески электрических импульсов, которые никогда не наблюдались у живого человека. Они возникали через две-три минуты после остановки сердца и продолжались примерно три минуты. До этого, подобные эксперименты проводились на крысах, у которых то же самое начиналось спустя минуту после смерти и продолжалось 10 секунд. Подобное явление ученые фаталистично окрестили «волной смерти».

Научное объяснение «волнам смерти» породило множество этических вопросов. По словам одного из экспериментаторов, доктора Лакхмира Чавла, подобные всплески мозговой активности объясняются тем, что от недостатка кислорода нейроны теряют электрический потенциал и разряжаются, испуская импульсы «лавинообразно». «Живые» нейроны постоянно находятся под небольшим отрицательным напряжением – 70 миннивольт, которое удерживается, за счет избавления от положительных ионов, которые остаются снаружи. После смерти – равновесие нарушается, и нейроны быстро меняют полярность с «минуса» на «плюс». Отсюда и «волна смерти».

Если эта теория верна, «волна смерти» на энцефолограмме проводит ту неуловимую черту между жизнью и смертью. После нее работу нейрона восстановить нельзя, организм больше не сможет получать электрические импульсы. Иными словами, дальше врачам уже нет смысла бороться за жизнь человека.

Но, что если посмотреть на проблему с другой стороны. Предположить, что «волна смерти» - последняя попытка мозга дать сердцу электрический разряд, чтобы восстановить его работу. В таком случае, во время «волны смерти» нужно не складывать руки, а напротив использовать этот шанс для спасения жизни. Так утверждает доктор-реаниматолог, Ланс-Беккер из Пенсильванского Университета, указывая на то, что бывали случаи, когда человек «оживал» после «волны», а значит яркий всплеск электрических импульсов в человеческом теле, а потом спад, еще не могут считаться последним порогом.