Номинальная мощность и кпд синхронного генератора. Автомобильный генератор и его особенности

В рамках данной статьи поговорим об особенностях принципиального устройства автомобильных генераторов. Для владельцев автомобилей, разбирающихся в предмете, данная статья не будет интересна. Но для тех, кому автомобильные генераторы интересны в прикладном плане, эта информация может оказаться полезной.

В современных автомобилях в качестве генераторов применяются синхронные трёхфазные электрические машины переменного тока, у которых в выпрямителе применяется схема Ларионова.

Чтобы генератор после пуска двигателя отдавал ток в нагрузку, необходимо обеспечить питание обмотке возбуждения. Это происходит при повороте ключа замка зажигания в рабочее положение.

Ток в обмотке возбуждения управляется стабилизатором напряжения, который может быть выполнен в виде отдельного узла или встроен в щёточный узел генератора. В подавляющем большинстве современных генераторов стабилизатор напряжения (СН) питается от отдельной секции выпрямителя.

Среди прочих генераторов переменного тока, генератор автомобильный выделяется несколькими особенностями. Прежде всего, автомобильный генератор хотя и выдает постоянный ток, на деле он является генератором тока переменного, который затем выпрямляется диодным мостом и превращается в постоянный ток.

Такое решение весьма популярно, тот же генератор переменного тока из асинхронного двигателя можно превратить в генератор постоянного тока, достаточно лишь добавить диодный выпрямитель.

Генераторы с выпрямлением переменного тока называются вентильными генераторами постоянного тока. К таким генераторам и относится автомобильный генератор.

Выходное напряжение автомобильного генератора постоянно

Одна из отличительных черт автомобильного генератора — напряжение на его выходных клеммах поддерживается в узком диапазоне при помощи специального стабилизатора, называемого регулятором напряжения. Но и это не является чем-то исключительным для электрических машин.

Стабилизаторы напряжения можно встретить в комплектации многих источников бесперебойного питания, в том числе среди тех, которые берут энергию для своих аккумуляторов от механических генераторов тех же домашних ГЭС или от .

Главная же отличительная черта именно автомобильного генератора — то что он получает механическую энергию через ремень от коленвала двигателя внутреннего сгорания, у которого частота вращения совсем не постоянна, зависит она от режима работы транспортного средства в текущий момент, и никак не связана с нуждами потребителей постоянного тока.

Вот и получается, что задача генератора и его электроники — суметь заряжать автомобильный аккумулятор и питать потребители стабилизированным напряжением, независимо от того, каковы текущие обороты якоря — напряжение обязано оставаться в узком коридоре в районе 14 вольт.

Если напряжение по какой-то причине выйдет за пределы диапазона стабилизации, зарядный ток аккумулятора может стать чрезвычайно высоким, и электролит попросту выкипит.

Такое явление не является чем-то невиданным, многие автолюбители сталкивались с ним, когда регулятор напряжения на генераторе выходил вдруг из строя — электролит в аккумуляторе в таком случае быстро выкипает.

Если же напряжение с генератора окажется слишком низким, то аккумулятор преждевременно разрядится. С данной проблемой также сталкивались многие автомобилисты.

Итак, стабильное выходное напряжение — обязательное условие правильной работы автомобильного генератора. Но этого достичь не так уж и просто. Диапазон варьирования частоты вращения ротора генератора в автомобиле довольно широк. На холостых оборотах это порядка 800 — 1200 оборотов в минуту, а в момент хорошего разгона — до 5000 и даже до 6000 оборотов в минуту, в зависимости от того, что это за автомобиль.

Токоскоростная характеристика автомобильного генератора

Таким образом, поскольку напряжение автомобильного генератора поддерживается почти постоянным благодаря регулятору напряжения, он имеет собственную токоскоростную характеристику (ТСХ), ведь при разных скоростях вращения ротора, ток нагрузки получается разным. Напряжение постоянное, но чем выше обороты — тем выше ток, и чем ниже обороты — тем ток с силовых клемм генератора меньше.

Примечательно кстати то, что автомобильный генератор имеет предел по току, и поэтому обладает свойством самоограничения. Это значит, что когда ток достигнет определенной предельной величины, как бы ни повышались обороты дальше, ток нарастать уже больше не будет, просто не сможет.

Токоскоростаня характеристика (ТСХ) автомобильного генератора снимается по методике, принятой в качестве международного стандарта. Она (характеристика) снимается в процессе испытания работы генератора на стенде в паре с полностью заряженным аккумулятором такой номинальной емкости, которая в ампер-часах составляет половину (50%) номинального тока генератора в амперах. На характеристике находят характерные важные точки: n0, nrg, nн, nmax.

Начальная частота вращения ротора n0 - это теоретическая частота вращения ротора без нагрузки. Так как характеристику начинают снимать начиная с тока в 2 ампера, то эту точку находят путем экстраполяции характеристики до пересечения с горизонтальной осью оборотов.

Минимальную рабочую частоту генератора nrg принимают соответствующей оборотам коленвала на холостом ходу. Это примерно от 1500 до 1800 оборотов в минуту для ротора генератора. Ток при данной частоте, как правило, составляет от 40 до 50% от номинала для данного генератора. Этого тока должно хватить для питания минимального количество жизненно важных потребителей в автомобиле.

Номинальные обороты ротора генератора nн — это как раз та частота, при которой генерируется номинальный ток Iн, он не должен быть меньше номинала по паспорту.

Максимальные обороты ротора генератора nmax - это та частота вращения ротора, при которой генератором отдается максимальный ток, величина которого не сильно отличается от номинала испытываемого генератора.

Для генераторов отечественного производства раньше было принято указывать номинальный ток при 5000 оборотах в минуту. Указывалась и расчетная частота nр для расчетного тока генератора Iр, равного двум третьим от номинального тока. Этот расчетный режим соответствовал такому режиму работы генератора, когда его узлы не сильно нагревались. Все характеристики снимались при напряжении 14 или 13 вольт.

Самовозбуждение автомобильного генератора и КПД

Автомобильный генератор обязан самовозбуждаться на частоте вращения его ротора ниже частоты при оборотах коленвала на холостом ходу. Проверка проводится на стенде, где самовозбуждение должно произойти при подключении генератора к аккумулятору с контрольной лампой.

Возможности автомобильного генератора с энергетической точки зрения характеризуются величиной его КПД. Чем больше КПД — тем меньшая мощность отбирается от двигателя внутреннего сгорания для получения той же полезной отдачи в форме электрической мощности.

КПД генератора зависит главным образом от конструктивных особенностей конкретного изделия: какова толщина пластин в статоре и толщина набора, насколько качественно пластины друг от друга изолированы (насколько малы токи Фуко), каково сопротивление обмоток статора и ротора, насколько широки контактные кольца ротора, каково качество щеток и подшипников? И т. д.

Но одно сказать можно точно — чем выше номинальная мощность генератора — тем выше и КПД. Между тем, типичный КПД автомобильных генераторов, да и вообще вентильных генераторов, не превышает 60%.

Главный показатель возможностей генератора — это его токоскоростная характеристика, она показывает наглядно, чего можно ожидать от того или иного генератора, на что можно рассчитывать. По характерным точкам составляют таблицу для генератора.

Для примера приведем таблицу характеристик генераторов отечественного производства:

Диапазон выходного напряжения на разных оборотах и в зависимости от температуры и нагрузки, отражает возможности регулятора напряжения автомобильного генератора.

Андрей Повный

Преобразование энергии в синхронном генераторе происходит следующим образом.

К валу синхронного генератора от первичного двигателя подводится механическая мощность P 1 . Часть этой мощности расходуется на механические потери Р МЕХ в генераторе, на магнитные потери в стали статора Р СТ , добавочные потери в стали статора и ротора Р ДОБ . Остальная часть мощности преобразуется в электрическую мощность и передается магнитным полем в статор.

Полная электрическая мощность, получаемая в результате преобразования механической мощности, называется электромагнитной мощностью. Магнитные потери в сердечнике статора у генератора покрываются непосредственно за счет механической мощности со стороны вала и в электромагнитную мощность не входят.

Электромагнитная мощность трехфазного синхронного генератора равна:

Преобразование энергии в синхронном генераторе связано с потерями энергии. Все виды потерь в синхронной машине разделяются на основные и добавочные.

Основные потери в синхронном генераторе слагаются из электрических потерь в обмотке статора, потерь на возбуждение, магнитных потерь и механических потерь.

Электрические потери в обмотке статора:

где - активное сопротивление одной фазы обмотки статора при расчетной рабочей температуре:

где - активное сопротивление одной фазы обмотки статора при температуре Т 1 , отличающейся от расчетной рабочей; α=0,004 .

Потери на возбуждение:

а) при возбуждении от отдельного возбудительного устройства:

где - активное сопротивление обмотки возбуждения при расчетной рабочей температуре;

2В - падение напряжения в контакте щеток;

Сопротивление обмотки возбуждения без учета вытеснения тока определяют по формуле и приводят к расчетной температуре:

где - активное сопротивление при температуре Т 1 , отличающейся от расчетной рабочей.

б) при возбуждении от генератора постоянного тока (возбуди теля), сочлененного с валом синхронной машины:

, Вт (4.18)

где - КПД возбудителя (=0,8-0,85 ).

Если обмотка возбуждения питается от собственного возбудителя, расположенного на валу приводного двигателя, то мощность, идущая на возбуждение генератора, а также на потери в возбудителе, следует прибавить к мощности P 1 . При независимом возбуждении к P 1 прибавляется мощность, расходуемая в обмотке возбуждения генератора. Для схем с самовозбуждением мощность возбуждения вычитается из , так как на возбуждение машины расходуется часть электрической мощности.

Если возбуждение бесконтактное, эта составляющая потерь отсутствует

Магнитные потери в синхронном генераторе происходят в сердечнике статора, который подвержен перемагничиванию вращающимся магнитным полем. Эти потери состоят из потерь от гистерезиса и потерь от вихревых токов:

Механические потери (Вт), равные сумме потерь на трение в подшипниках и потерь на вентиляцию (при самовентиляции машины):

, Вт (4.20)

где - окружная скорость на поверхности полюсного наконечника ротора, м/с;

Конструктивная длина сердечника статора, мм.

Добавочные потери при нагрузке в синхронном генераторе определяют в процентах от полезной мощности генератора. Для синхронных машин мощностью до 1000кВт добавочные потери при нагрузке принимают равными 0,5%, а для машин мощностью более 1000кВт - 0,25-0,4%.

Суммарные потери в синхронном генераторе:

Оставшаяся мощность отдается генератором в сеть (активная мощность, отбираемая от генератора при его номинальной нагрузке).

Мощность Р 2 является полезной мощностью генератора:

(4.22)

Здесь U 1 и I 1 - фазные значения напряжения и тока статора.

Коэффициент полезного действия для синхронного генератора:

, Вт (4.23)

КПД синхронного генератора зависит от величины нагрузки и от ее характера (cosφ) . Графики этой зависимости представлен на рисунке 4.8.

КПД синхронных машин мощностью до 100кВт составляет 80-90%, у более мощных машин КПД достигает 92-99%. Более высокие значения КПД относятся к турбо и гидрогенераторам мощностью в десятки и даже сотни тысяч киловатт.

Подводимая механическая мощность определяется по формуле:

(4.24)

Рисунок 4.8 – График зависимости КПД и cosφ от величины нагрузки β .

Сегодня всем нам знакомы бытовые электрогенераторы. В зависимости от потребляемого топлива, назначения и типа используемого двигателя, это могут быть бензиновые, газовые, дизельные и даже ветряные электрические генераторы. Эти устройства прочно вошли в нашу жизнь, и мы привыкли использовать их на даче и в походе, на стройке и в гараже. Множество типов электрогенераторов и электроприборов выполняет за нас работу. Портативные ручные электрогенераторы встраиваются в фонарики, солнечные батареи питают удаленные приборы и датчики, космические спутники и оборудование альпинистов. Но так было не всегда. Начало 19 века разразилось целой чередой открытий, связанных с электричеством и магнетизмом.

После открытия и исследования электромагнитной индукции и проведенного расчета, стала очевидной возможность создать электрогенератор, который сможет преобразовывать механическую энергию в энергию электрическую. Для получения тока в замкнутом витке проволоки нужно изменять пронизывающий его поток индукции. Сделать это можно двояким путем: либо перемещать магнит относительно витка проволоки, либо перемещать виток проволоки относительно магнита.

Первый самодельный магнитный генератор электрического тока, построенный в 1832 г., был весьма простой установкой. Посмотрите на его чертеж: вы видите, что ЭДС в обмотках его катушек возбуждалась вращением подковообразного магнита. Ток, создаваемый такой машиной, был не похож на ток от гальванического элемента - он как бы метался из стороны в сторону, то и дело меняя свое направление. Этот ток назвали переменным, в отличие от постоянного тока, производимого гальваническим элементом.

По-иному выглядела установка другого электрического генератора: рамка проводника вращалась между неподвижными полюсами магнита. Ее концы соединялись с двумя кольцами на оси вращения рамки, а к кольцам при помощи скользящих контактов подключалась электрическая цепь. На контактах колец возникал то «плюс», то «минус», что и означало генерирование переменной ЭДС.

То, что ток получался переменным, сочли недостатком и принялись искать способ его выпрямить. Для этого прибегли к так называемому коммутатору. Во второй машине, например, оба конца рамки подсоединили к кольцу, которое разрезали пополам, и изолировали каждую половину слоем не проводящего ток вещества. Один скользящий контакт касался только того конца вращающейся рамки, на котором был «плюс», а второй контакт замыкался на «минусе». Но хотя ток в цепи и стал постоянным по направлению, его величина менялась с каждым полуоборотом рамки.

Чтобы избежать резких изменений величины тока, увеличили количество рамок. Их концы подсоединили к диаметрально противоположным участкам разрезанного кольца-коллектора электрогенератора. Ток от такого магнитного генератора тем более похож на постоянный, чем больше рамок на вращающемся барабане - роторе (неподвижные магниты в такой машине называют статором).

Электрогенераторы постоянного и переменного тока очень похожи по своему устройству на электродвигатели . Кроме того, если вращать якорь электромотора постоянного тока, на его обмотках появляется разница потенциалов – мотор начинает давать электрический ток, становясь электрогенератором. Однако по техническим соображениям электрические генераторы тока строят несколько иначе, чем электродвигатели.

Возьмем, к примеру, электрогенератор переменного тока крупной тепловой электростанции

Его статор имеет внутри обмотку, в которой и возникает электрический ток. Ротор представляет собой цилиндр с двумя магнитными полюсами: северным и южным. Если намагнитить ротор, пропустив в полюсные обмотки постоянный ток от постороннего источника, и затем начать его вращать, в обмотке статора появится переменный ток.

Для возбуждения и работы ротора обычно применяют отдельный небольшой генератор постоянного тока. Этот электрогенератор надевают прямо на вал ротора. Есть и иной вариант конструкции – вместо генератора-возбудителя действует полупроводниковый выпрямитель тока. Он отбирает ничтожную часть мощности самого электрогенератора, выпрямляет переменный ток, и полученным током питает обмотку ротора.

В нашей стране принят стандарт частоты переменного тока равной 50 периодам в секунду – 50 Гц. Это означает, что в течение секунды ток должен 50 раз течь в одну сторону и 50 раз – в другую. Соответственно, и ротор должен делать ровно 50 оборотов в секунду, или 3000 оборотов в минуту. С такой скоростью и находятся в работе электрогенераторы тепловых станций: их приводят в движение газотурбинные блоки, специально рассчитанные на такой ход.

Это происходит так же часто, как и в электрогенераторе тепловой электростанции, где скорость вращения газотурбинной установки составляет 3000 оборотов в минуту. Таким образом, частота в 50 периодов сохраняется и здесь.

Просто о сложном – Электрогенераторы для производства электроэнергии

• Галерея изображений, картинки, фотографии.
• Электрогенераторы – основы, возможности, перспективы, развитие.
• Интересные факты, полезная информация.
• Зеленые новости – Электрогенераторы.
• Ссылки на материалы и источники – Электрогенераторы для производства электроэнергии.

Энергетический баланс синхронного генератора можно пояснить с помощью его векторной диаграммы (рис. 15.4, б). Вектор Ė о и его составляющие проектируем на направление вектора тока i; тогда активная составляющая ЭДС

Это уравнение умножим на действующее значение тока I и таким путем преобразуем (15.5) в уравнение электрической мощности для одной фазы генератора:

Оно показывает, что электрическая мощность статора Р эс складывается из мощности потерь в проводах якоря Р пр и электрической мощности Р, с которой генератор отдает энергию в сеть. Но помимо мощности потерь в проводах в генераторе имеют место еще и мощность механических потерь Р мп и мощность потерь на гистерезис и вихревые токи в электротехнической стали Р с статора и полюсных башмаков. Из уравнения (15.6) видно, что мощность этих потерь покрывается не за счет электрической мощности, а непосредственно за счет механической мощности первичного двигателя. Соответствующая энергетическая диаграмма синхронного генератора показана на рис. 15.5. Кроме того, в синхронном гене­раторе имеют место потери энергии на возбуждение. Мощность потерь на возбуждение генератора равна мощности возбудителя постоянного тока Р воз. Мощность возбудителя составляет примерно 0,3-1 % номинальной мощности для больших генераторов. Мощность всех потерь энер­гии в генераторе делится на мощность постоянных потерь, почти не зависящую от нагрузки, и мощность переменных потерь, изменяющуюся в зависимости от нагрузки. Мощность постоянных потерь Р пос равна сумме мощностей потерь механических, возбуждения и в электротехнической стали; мощность переменных потерь Р пер равна мощности потерь в проводах.

Электрическая мощность генератора, выраженная через фазные напряжения и ток, Р = 3UI cos φ, при одном и том же токе зависит от cos φ нагрузки. Но сечения проводников обмоток генератора рассчитываются на определенное значение тока, а его изоляция и сечение магнитной цепи - на определенное напряжение U; следовательно, эти величины выбираются независимо от cos φ нагрузки. По этой причине подобно трансформаторам номинальной мощностью генератора считается его полная мощность S = UI, измеряемая в киловольт-амперах. Было бы нецелесообразно соединять генератор с турбиной, рассчитанной на его полную мощность S (деленную на его КПД), так как почти всегда cos φ < 1. Поэтому турбина к генератору обычно имеет несколько меньшую мощность, чем полная мощность генератора (например, из расчета cos φ = 0,8).

Мощность генератора пропорциональна его объему, поэтому с увеличением номинальной мощности генератора уменьшается поверхность охлаждения, приходящаяся на единицу мощности, вследствие чего приходится создавать усиленное охлаждение искусственным путем посредством вентиляции машины. В крупных турбогенераторах количество воздуха, необходимого для вентиляции, весьма велико. В час для охлаждения машины требуется примерно столько воздуха, сколько весит сама машина.

Для генераторов мощностью более 25 000 кВ-А обычно применяется водородное охлаждение. Преимущества такого охлаждения определяются тем, что водород легче воздуха в 14 раз, его теплоемкость больше в 14 раз, теплопроводность - в 7 раз, а коэффициент теплоотдачи водородом с охлаждаемой поверхности - в 1,35 раза.

Коэффициент полезного действия генератора равен отношению мощности генератора, включенного в сеть, к мощности первичного двигателя; последнюю удобно представить как сумму мощности генератора и мощности всех видов потерь в машине; следовательно,

Уравнение КПД показывает, что с уменьшением нагрузки КПД также уменьшается. На рис. 15.6 приведены графики зависимости КПД генератора от нагрузки при различных значениях cos φ. С увеличением номинальной мощности генераторов возрастают КПД как самого генератора, так и его первичного двигателя.

КПД и мощность генератора это взаимосвязанные вещи. И судя по всем расчётам и формулам, а также по реальным данным прокрутки генераторов на нагрузку, можно увидеть что максимальная мощность генератора когда его напряжение просаживается ровно на 50% от напряжения без нагрузки. При всех других вариантах, когда напряжение генератора падает более 50% или менее, мощность генератора падает.

КПД генератора тоже зависит от падения напряжения, и самый высокий КПД при самой маленькой просадке напряжения. Соответственно чем больше просадка по напряжению тем ниже КПД генератора. Генератор и нагрузку можно представить как два сопротивления в замкнутой цепи, и потреблять больше энергии будет то сопротивление которое выше, так-как на нём меньше падение напряжения при равном токе во всей цепи.

Катушки генератора, то-есть его обмотка по сути работает сама на себя, а нагрузка является лишь проводником замыкающим концы обмоток генератора. Обмотка генератора является также и потребителем своей собственной энергии. По этому катушки становятся магнитами и сопротивляются магнитному полю магнитов, от этого появляется нагрузка при вращении генератора. Но сколько энергии потребляет обмотка генератора, а всё по закону Ома. Потребление обмотки зависит от падения напряжения и тока протекающего через обмотку.

Так к примеру если падение напряжения генератора составило 20 вольт, а сопротивление его обмотки 1,5 Ом, то ток цепи будет равен падению напряжения делённого на сопротивление, и тогда 20v:1.5om=13.3 A. Соответственно умножаем этот ток на напряжение, которое упало на обмотке и получим ту мощность которую потребляет обмотка генератора. То-есть 20v*13.3A=266 Watt.

К примеру мы заряжаем аккумулятор, и его напряжение при заряде 14 вольт. Напряжение генератора упало на 20 вольт, значит оно было в холостую 34 вольта, и падение составило 58%. И тогда мощность потребляемая аккумулятором составит 14*13.33=186 ватт. То-есть 186 ватт жрёт аккумулятор, а 266 ватт жрёт обмотка генератора создавая магнитное поле. Общая мощность которую потрбляет вся эта связка генератор+АКБ равна 266+186=452 ватта. КПД генератора соответственно 41%. Собственно по-этому винт для ветрогенератора в этом случае должен иметь большой запас по мощности, более чем в два раза мощней чем та мощность что выходит из генератора.

Активное сопротивление потребителя, в данном случае АКБ при этом составит, 14V поделённое 13.3A=1.05 Ом.

Вариант второй: Допустим напряжение генератора падает на 15%. Какой будет его КПД в процентах?, и его мощность в процентах от максимально возможной?. Если падение напряжения составило 15% то это значит что сопротивление нагрузки выше чем сопротивление обмотки генератора. Какое оно это сопротивление? Напряжение делённое на ток является сопротивлением, а ток зависит от падения напряжения поделённого на сопротивление.

Пускай будет те-же 34 вольта в холостую у генератора, и его сопротивление 1.5 Оm. Напряжение упало на 15% и составило 25.5 вольт, разница 34-25.5=8,5 вольт. Ток равен падению напряжения умноженного на сопротивление. Тогда 8.5:1.5=5.6А - ток в цепи, 8.5*5.6 это 47.6 ватта, то-есть 47.6 ватт потребление генератора (падает на обмотке генератора в виде создания электрического поля). А потребление нагрузки равно её току и напряжению, это значит 25.5v*5.6a=142.8Watt. Общее потребление всей связки генератор и нагрузка равно 47.6+142.8=190.4 ватта. В этом случае кпд генератора 75%. А сопротивление нагрузки 25.5:5.6=4.5om

Что-же из этого всего следует, а следует прямая зависимость КПД генератора и его мощности от падения напряжения на нём в процентном соотношении. КПД генератора прямо пропорционален падению напряжения на нём. Мощность генератора пропорциональна падению напряжения, и самая высокая мощность когда падение напряжения составляет 50%

Таким образом если хотите с генератора всегда снимать максимум мощности, при любых оборотах то нужно напряжение держать на уровне 50%, но КПД генератора в таком режиме всегда будет равен 50%.

На компетентность и правдивость изложенной информации в статье я не претендую . Это лишь моё видение картины на данный момент моего развития в этой теме, и я вполне могу заблуждаться и сделать неверные выводы из всего этого. Вам решать какие делать выводы из этого. Но если я заблуждаюсь насчёт КПД регенератора, когда говорю что если сопротивление генератора выше то он сам потренбляет больше энергии чем отдаёт нагрузке. То спросите себя куда девается энергия, механическая энергия если КПД генератора например 80%. Например если генератор на 3кВт и его КПД 80% то значит что порядка 800 ватт у нас потери КПД. Где эти потери, в чём они выражаются? Неужели всё уходит в нагрев генератора, целых 800 ватт, да обмотка расплавится и сгорит если там будет выделяться тепла почти 1 кВт, от генератора как от печки тогда можно помещение отапливать. А если КПД 50% то страшно представить сколько там на нагрев пойдёт.

Нет, не на нагрев уходит мощность, а на создание магнитного поля, катушки становятся электромагнитами и потребляют энергию сопротивляясь вращению ротора. Именно в магнитное поле обмотки генератора уходит основная часть энергии, которая падает на генераторе. Ниже видео где я попытался объяснить описанное в статье.