Генерация тока: Синхронный генератор переменного тока: устройство, принцип работы, применение

Генератор тока (источник тока). Различия и сходства стабилизаторов тока и напряжения.

9 227

      Бурыкин Валерий Иванович

      Генератор тока и генератор напряжения. В чём разница? Что такое Генератор тока и каковы области его применения.

      ***

      По работе нужно было найти какое либо внятное описание того, что собой представляет генератор тока (стабилизатор тока, источник тока), его области применения и примеры расчёта. Ничего приемлемого найти не удалось.

      Пришлось самому приступить к написанию статьи отвечающей на эти вопросы.

      И ещё, пришлось заменить общепринятые обозначения «дельта» и «бесконечность» на слова. К сожалению, вместо них при попытке считать текст отображаются вопросительные знаки.

      28.02.2012г.

      

      ***

      

      Первое, что нам необходимо понять — это то в чём различия генератора тока и стабилизатора напряжения.

Стабилизатор напряжения.

       Другие названия:

       — источник напряжения;

       — генератор напряжения;

       — источник опорного напряжения (в схемах его обычно обозначают как ИОН).

      Основное требование:

      Uвых. = const.

      Ток в нагрузке подключенной к выходу стабилизатора напряжения изменяется в зависимости от величины Rнагр.

      Идеальный режим работы стабилизатора напряжения соответствует Rнагр. = бесконечности.

      Идеальный генератор напряжения создаёт на сопротивлении нагрузки напряжение стабильной величины. При этом его внутреннее сопротивление равно нулю (Ru = 0). Ток в нагрузке определяется по формуле:

      Iнагр. = U / Rнагр.

      Из этого можно сделать вывод:

      — так как напряжение стабильно, то при изменении Rнагр. будет изменяться ток, протекающий через нагрузку, Рис. 1.

Рис. 1 Схема идеального источника напряжения.

      Идеальный источник напряжения при уменьшении Rнагр. до нуля способен создавать ток бесконечно большой величины.

      Но в жизни ничего идеального не существует, все источники напряжения имеют некоторое внутреннее сопротивление — Ru.

      Это приводит к тому, что напряжение источника делится между внутренним сопротивлением Ru и сопротивлением нагрузки Rнагр, Рис. 2

Рис. 2 Функциональная схема реального источника напряжения.

      Поэтому ток в нагрузке вычисляется по формуле:

      Iнагр. = U / (Ru + Rнагр.)

      Максимальный ток возникает при Rнагр. = 0.

      Из формулы видно — ток в нагрузке зависит от напряжения развиваемого источником, а также от величины суммы сопротивлений Rнагр. и Ru.

      Как правило, внутреннее сопротивление источника напряжения (Ru) выбирается как минимум в

100 раз меньше минимально возможного значения сопротивления нагрузки (Rнагр. min). В этом случае напряжение на выходе источника при изменении сопротивления нагрузки от бесконечности до Rнагр. min будет изменяться не более чем на 1%.

      Т.е. желательно, чтобы соблюдалось условие:

      Rнагр. min => 100*Ru

      В данном случае мы не рассматриваем вопрос о мощности источника напряжения. Мощность зависит от принципа построения источника, реализуемой схемы и применяемых компонентов.

      Теперь посмотрим, что собой представляет генератор тока

Генератор тока.

      Другие названия:

       — источник тока;

       — стабилизатор тока.

      Основное требование:

      Iвых. = const.

      При этом напряжение на нагрузке изменяется в зависимости от величины Rнагр.

      Идеальный режим работы стабилизатора тока возникает при

Rнагр. = 0

      Идеальный источник тока создаёт в нагрузке стабильный ток, то есть — ток, величина которого не зависит от сопротивления нагрузки, Рис. 3.

Рис. 3 Функциональная схема идеального источника тока.

      Так как ток источника не зависит от величины сопротивления нагрузки то при изменении Rнагр. пропорционально будет изменяться и Uнагр.

      Uнагр. = Rнагр. * Iист.

      Идеальным генератором тока считается такой источник, через который протекает ток неизменной величины и не зависящий от Rнагр.

      В таком случае если Rнагр стремится к бесконечности, то Uнагр. так же стремится к бесконечности. Такая ситуация на практике неосуществима. Реальные генераторы тока поддерживают стабильный ток в нагрузке только в пределах от Rнагр. = 0 до некоторой величины Rнагр. max.

      Эквивалентные схемы генераторов тока, приводимые в академической литературе малопонятны, а формулы, описывающие их работу, вряд ли когда-либо понадобятся в практических расчетах.

      Поэтому я начну сразу с практических схем.

      Наиболее доступная и простая как в понимании, так и в расчётах схема выглядит так:

Рис. 4 Практические схемы простых генераторов тока на биполярных транзисторах.

      На рисунке изображены две одинаковые схемы простых генераторов тока. Разница состоит только в том, что применены транзисторы разной проводимости. Другое отличие это то, к какому полюсу источника питания подключена нагрузка.

      В обоих случаях применена схема включения транзистора с общим коллектором (эмиттерный повторитель). Эмиттерным повторителем она названа за то, что изменение напряжения на эмиттере (Uэ) повторяет изменение напряжения на базе, в нашем случае это Uстаб.

      Повторяет именно изменение напряжения, а не само напряжение так как существует падение напряжения на эмиттерном переходе транзистора. Поэтому в случае усилителя постоянного тока напряжение Uэ будет определяться по формуле:

      Uэ = Uстаб. — Uбэ

      где Uбэ — падение напряжения на переходе база — эмиттер транзистора.

      Поскольку Uэ зависит только от напряжения стабилизации стабилитрона и от напряжения Uбэ, а значения этих напряжений можно считать константами, то в идеальном случае Uэ не будет зависеть от изменения Uпит. и Rн.

      Ток протекающий через Rэ является одновременно и током протекающим через нагрузку, то есть IRэ = Iист.

      Соответственно Iист. вычисляется по формуле:

      Iист. = Uэ / Rэ

      где: Uэ и Rэ константы, следовательно и Iист. — так же константа.

      На самом деле стабильность напряжения Uэ зависит от того насколько стабилитрон VD чувствителен к изменению протекающего через него тока и к воздействию окружающей температуры.

      То же самое относится и к переходу база — эмиттер транзистора.

      Пока будем считать, что эти факторы нас не касаются.

      В этом случае мы будем находиться в счастливом заблуждении, что наши расчёты абсолютно точны.

       Основные параметры источника (генератора) тока:

      1. Величина требуемого СТАБИЛЬНОГО тока — (Iист.).

       Т. е. тока, который питает нагрузку и не изменяется под воздействием внешних факторов.

      2. Максимальное сопротивление нагрузки — (Rнагр. max).

      3. Минимально возможное напряжение источника питания для нашей схемы — (Uпит. min).

Что нужно для расчёта источника тока.

      Самый тяжёлый вариант входных условий.

      Здесь вас пытаются уложить в Прокрустово ложе тем, что лишают манёвра.

      Требования заказчика:

      а. Ток источника тока (генератора тока) = Iист.

      б. Сопротивление нагрузки, которое меняется от Rнагр. min до Rнагр. max.

      Замечу — нижний предел сопротивления нагрузки (Rнагр. min) для генератора тока всегда можете смело принимать за ноль.

      Rнагр. max. — определяется из характеристик питаемого оборудования и важен для расчёта.

      в. Напряжение питания = Uпит.

      Методика расчёта генератора тока.

      Первое, что нужно определить это то какое максимальное напряжение необходимо развить на Rнагр.

      Uнагр. max = Iист. * Rнагр. max

      Далее определить то, каким запасом по напряжению мы располагаем.

      Uзап. = Uпит. — Uнагр. max

      Нужно понимать, что напряжение запаса должно поделиться между Uкэ. и Uэ.

      Значение напряжения Uкэ. которое снижается до минимального значения при максимальном значении Rнагр. желательно принять не менее 3 Вольт. Конечно чем больше, тем лучше

      Далее можем вычислить с каким максимальным напряжением стабилизации при заданных условиях можно выбрать стабилитрон.

      Uстаб. max = Uзап. — Uкэ + Uбэ

      Сопротивление Rэ рассчитываем по формуле:

      Rэ = (Uстаб. — Uбэ) / Iист.

      

      Из этой формулы видно, что током генератора тока мы можем управлять двумя способами:

      — изменяя Uстаб.;

      — изменяя Rэ.

      Uбэ — константа и изменению не подлежит.

      Есть ещё один подводный камень, это соотношение напряжений Uбэ и Uстаб.

      Из последней формулы видно, что если Uстаб. окажется меньше или равно Uбэ, то в этом случае Rэ должно быть либо равным нулю, либо отрицательным. И то, и другое невозможно.

      Таким образом, если Uстаб. получится меньше или равно Uбэ то схема окажется неработоспособной, так как в этом случае мы не сможем открыть транзистор и создать хоть какое либо падение напряжения на Rэ.

      Желательно получить Uстаб. в шесть — семь раз превышающее Uбэ.

      Если Uстаб. получается близким по значению к Uбэ то необходимо изменять входные условия. Если вы не можете повлиять на параметры нагрузки: (уменьшить Rнагр. max) или согласовать уменьшение тока от генератора тока, остается только один вариант — увеличить напряжение питания. Если и это невозможно согласовать…. Тогда пошлите заказчика к чёрту, а расчёты выкиньте в корзину.

      

Пример расчета простого генератора тока на биполярном транзисторе

      Тяжёлый вариант.

      Требования заказчика:

      а. Iист. = 20мА;

      б. Rнагр. max. = 3кОм;

      в. Uпит. = 50В.

      г. нагрузка привязана к + Uпит.

      Это и есть то самое Прокрустово ложе.

      Простейшая для понимания схема будет такова:

Рис. 5

Пример расчета:

      Первое что нужно сделать, это проверить возможность создания такого генератора тока.

      Попробуем произвести расчёт.

      Uнагр. max = Iист. * Rнагр. max. = 0.02 * 3 000 = 60В

      Видим неприятную картину.

      Заданное Uпит. меньше требуемого Uнагр. max. Следовательно мы не сможем обеспечить требуемый ток в нагрузке при максимальном сопротивлении Rнагр.

      Что делать?

      Самое удобное для нас это уменьшить ток генератора тока. Как было сказано ранее этого можно добиться либо уменьшая Uстаб., либо увеличивая Rэ.

      Ток при этом определяется по формуле:

      Iист. = (Uстаб. — Uбэ) / Rэ

      Допустим, нам удалось согласовать изменение величины тока.

      Посмотрим, какая величина Iист. нас устроит.

      Как уже говорилось Uстаб. желательно выбрать не менее 6* Uбэ. Среднее значение Uбэ для кремниевых транзисторов составляет 0,65 В. Оно может изменяться в зависимости от выбранного транзистора, но ненамного (если конечно вы не выберете составной транзистор). Рассчитаем величину Uстаб.

      Uстаб. = Uбэ * 6 = 0,65 * 6 = 3,9В

      Обращаемся к справочнику по диодам, находим там раздел «Стабилитроны». И о чудо! Есть такой стабилитрон! И зовут его 2С139А.

      Он обладает следующими параметрами:

      Uст — напряжение стабилизации стабилитрона

      Uст ном — номинальное напряжение стабилизации стабилитрона

      Iст — ток стабилизации стабилитрона

      Iст ном — номинальный ток стабилизации стабилитрона

      Рmax — максимально-допустимая рассеиваемая мощность на стабилитроне

      rст — дифференциальное сопротивление стабилитрона

      aст — температурный коэффициент стабилизации стабилитрона

      Тк max — максимально-допустимая температура корпуса стабилитрона

      Далее определим необходимый запас по напряжению.

      Uзап. = Uстаб. — Uбэ + Uкэ = 3,9 — 0,65 + 3 = 6,25 В

      Вычитаем из величины питающего напряжения напряжение запаса и получаем максимально возможное напряжение на нагрузке.

      Uнагр. = Uпит. — Uзап. = 50 — 6,25 = 43,75 В

      Полученную величину Uнагр. делим на Rнагр. max. и получаем то значение тока, которое нас устроит.

      Iист. = Uнагр / Rнагр. max = 43.25 / 3000 = 0.0144 А

      Итак, нам удалось изменить требования заказчика, теперь они выглядят так:

      а. Iист. = 14,4мА;

      б. Rнагр. max. = 3кОм;

      в. Uпит. = 50В.

      г. нагрузка привязана к + Uпит.

      Значит, мы можем приступить к окончательному расчёту элементов схемы.

      Rбал. = (Uпит. — Uстаб.) / Iст ном = (50 — 3,9) / 0,01 = 4610 Ом

          Где: Iст ном — взято из справочника.

      Выбираем ближайшее значение Rбал. (желательно в меньшую сторону):

      Rбал. = 4,3кОм.

      

      Определим величину сопротивления Rэ.

      Rэ = (Uстаб. — Uбэ) / Iист. = (3,9 — 0,65) / 0.0144 = 225,694444444444…….Ом.

      Опять же принимаем ближайшее значение и снова в меньшую сторону.

      Rэ = 220 Ом.

      В итоге получаем окончательную схему.

Рис. 6 Результат расчёта.

      Какой выбрать транзистор VT1?

      Да любой биполярный npn транзистор.

      Нужно помнить только, что у нас задано Uпит = 50 В. А это говорит о том, что допустимое напряжение Uкэ должно быть не менее этого значения (лучше раза в полтора больше). Максимальную мощность, рассеиваемую на корпусе транзистора можно рассчитать исходя из предельного режима, когда Rнагр. = 0.

      В этом случае Uкэ будет равно Uпит.-Uэ.

      Значит, мощность рассеяния можно определить из формулы:

      Pк max = (Uпит. — (Uстаб. — Uбэ)) * Iист. = (50 — (3,9 — 0,65)) * 0,0144 = 0,673 W

      где Pк — мощность рассеиваемая на коллекторе транзистора и выбирается она из справочника. (Надеюсь нет смысла объяснять почему нужно выбрать транзистор с несколько большим Pк?).

      В этом расчёте мы исходим из условия короткого замыкания в нагрузке.

      Можно конечно произвести расчёт из условия Rнагр = Rнагр. min, т.е. то минимальное сопротивление которое задано заказчиком. В этом случае Pк max. получится меньше, но в тоже время источник может оказаться слишком чувствительным к короткому замыканию в нагрузке.

      Может случиться так, что заказчик не пойдет на то чтобы изменить входные параметры.

      В этом случае нужно понять: какую сумму он готов заплатить за готовое изделие.

      Физика есть физика и против её законов не попрёшь.

      Если заказчик готов раскошелиться, то в схему можно ввести дополнительный источник питания, позволяющий входное напряжение 50В преобразовать в то напряжение, которое позволит нам вписаться в исходные условия.

      Рассчитаем какое минимальное Uпит. нам необходимо для удовлетворения первоначальных условий. Вот эти условия:

      а. Iист. = 20мА;

      б. Rнагр. max. = 3кОм;

      в. Uпит. = 50В.

      г. нагрузка привязана к + Uпит.

      Uэ и Uкэ можно оставить прежними, к ним у нас претензий быть не должно.

      То, какое максимальное напряжение на нагрузке при данных условиях мы должны развить уже было рассчитано (Uнагр. max = 60 В).

      В этом случае (если мы снова возьмём стабилитрон 2С139А) минимальное значение напряжения питания можно определить из формулы:

      Uпит. min = Uнагр. max + Uэ + Uкэ = 60 + 3,25 + 3 = 66,25 В

      где Uэ = Uстаб. — Uбэ.

      Для ровного счёта примем Uпит. min = 67 В.

      В этом случае схема примет следующий вид:

Рис. 7 Генератор тока с внутренним источником напряжения.

      Есть одно НО! Добавление этого квадратика может увеличить стоимость схемы в сотню раз. Хотя желание заказчика мы при этом удовлетворим.

      Иногда в схему генератора тока вводят операционный усилитель (другое название — дифференциальный усилитель). Это позволяет создать большой коэффициент усиления в цепи отрицательной обратной связи и исключить влияние Uбэ транзистора на стабильность выходного тока.

      Пример такой схемы приведён на Рис. 8.

      Расчёт такой схемы отличается только тем, что нужно забыть об Uбэ.

Рис. 8 Генератор тока с дифференциальным усилителем.

      Можно пойти дальше и создать стабилизатор тока с регулируемым значением Iист.

      В этом случае желательно заменить стабилитрон на маломощный линейный стабилизатор напряжения. Обычно такие стабилизаторы напряжения в схемах обозначаются как ИОН (источник опорного напряжения).

      Вот пример такой схемы:

Рис. 9 Регулируемый генератор тока.

      Ну вот, кажется всё основное, то что касается построения и расчёта генераторов тока я изложил.

      Теперь встаёт вопрос…. А на кой чёрт нам всё это нужно?

      Ну, стабилизаторы напряжения… — тут всё понятно!

      Широко применяются в бытовой и промышленной электронике. Ни одно современное электронное устройство не обходится без них.

      А зачем нужно устройство, которое не может поддерживать стабильное напряжение на нагрузке, и это напряжение постоянно «гуляет», а величина этого напряжения будто привязана к величине Rнагр.?

      Рассмотрим некоторые области применения генераторов тока (стабилизаторов тока, источников тока).

      Первая и наверное самая распространённая область — это источники стабильного напряжения, как раз то без чего не обходится практически ни одно современное электронное устройство.

      В простейшем случае общая схема стабилизатора напряжения выглядит так:

Рис. 10 Функциональная схема стабилизатора напряжения.

      Обозначения в схеме:

      

      ИОН — источник опорного напряжения;

      Уош. — усилитель ошибки;

      Uоп. — опорное напряжение;

      Uдел. — напряжение снимаемое с делителя подключенного к выходному напряжению стабилизатора напряжения.

      Uош. — напряжение ошибки, оно вычисляется как Uоп. — Uдел.

      

      Напряжение на выходе стабилизатора зависит от величины Uоп. и коэффициента деления делителя.

      Uстаб. = Uоп * (Rдв + Rдн) / Rдн

      Усилитель ошибки сравнивает два напряжения Uоп. и Uдел., его главная задача поддерживать Uош. близким к нулю, а следовательно следить за тем, чтобы Uстаб. оставалось неизменным.

      Допустим мы имеем почти идеальный Уош., способный удерживать Uош. в десятки тысяч раз меньшим чем Uоп. (такие дифференциальные каскады сейчас существуют)

      В этом случае мы можем пренебречь влиянием элементов схемы Уош. на величину Uстаб. и главным виновником в нестабильности выходного напряжения при изменении Uпит. будет ИОН.

      

      Простейший источник опорного напряжения выглядит так:

Рис. 11 Простой источник опорного напряжения.

      Допустим, в процессе эксплуатации, Uпит. может изменяться от 18 до 36 Вольт.

      Мы располагаем всё тем же стабилитроном 2С139А (учтите, буквы русские).

      Первое что нужно сделать это рассчитать Rбал. Оно рассчитывается исходя из минимальной величины Uпит, при этом следует задаться минимальным током стабилитрона Iстаб. min.

      Из справочных данных следует что рабочий диапазон токов стабилитрона лежит в пределах 3 — 70 mA. Номинальный ток — 10 mA. Подбираться слишком близко к нижнему пределу не стоит, так как при этом слишком сильно возрастает Rст. Определимся с минимальным током стабилитрона равным 7mA.

      Тогда:

      Rбал. = (Uпит. min — Uстаб.) / Iстаб. min = (18 — 3.9) / 7 = 2.014 кОм.

      Ближайшее значение 2 кОм.

      При Rбал. = 2 кОм и дельта Uпит. = 18 В, дельта Uоп. составит 0,54 В.

     Динамическое сопротивление стабилитрона:

     rст = 60 Ом (См. табдицу выше).

     dI = dU/2кОм = 9мА

     dUоп. = dI*rст. = 0.009*60 = 0.54 В

      Разделив дельту на номинальное напряжение стабилитрона, определим величину нестабильности напряжения такого ИОН:

      0,54 / 3,9 = 0,135

      Т. е. нестабильность ИОН будет равна 13,5%.Понятно, что напряжение на выходе стабилизатора напряжения будет изменяться по такому же закону. И его нестабильность так же составит 13,5%.

      Посмотрим на сколько при таком изменении напряжения питания изменится ток протекающий через стабилитрон.

      Изменение тока протекающего через стабилитрон можно вычислить по следующей формуле:

      дельта Iстаб. = (Uпит. max — Uпит. min) / Rбал. = (36 — 18) / 2000 = 9 mA.

      Изменение тока составило 129% так как:

      дельта Iстаб. / Iстаб. min = 9 / 7 = 1,29

      Но нестабильность по напряжению в 13,5% нас не устраивает. Что делать?

      Вот здесь нам и придёт на помощь его величество Генератор Тока.

      Давайте запитаем стабилитрон, с которого будем снимать опорное напряжение, через это самое величество:

Рис. 12 Схема ИОН с повышенной стабильностью Uоп.

      Допустим VD1 иVD2 будут всё те же 2С139А. В этом случае Rбал. так же будет равно 2 кОм.

      Зададимся током через VD2. По справочнику номинальный ток этого стабилитрона 10 mA. Не мудрствуя лукаво примем это за истину.

      Вычислим величину Rэ.

      Rэ = (UVD1 — Uбэ.) / IVD2 = (3.9 — 0.65) / 10 = 0.325 кОм.

      Принимаем ближайшее значение 330 Ом.

      Изменение тока протекающего через Rэ, а значит и через VD2 при изменении Uпит. на 18 Вольт будет таким же как и изменение напряжения на VD1 рассчитанное ранее, т.е. 13,5%.

      Абсолютная величина изменения тока VD2 составит: 10mA * 13.5% = 1,35mA, в отличии от 9 mA в VD1. Это приведёт к изменению напряжения на стабилитроне VD2 на 0,081V. Нестабильность опорного напряжения снизится до 2,1%.

      Вместо 13,5% на VD1!

      И это притом, что я выбрал довольно паршивый стабилитрон. Хотите получить меньшую нестабильность выбирайте стабилитрон с меньшим Rст.

      

      Ну вот, с одной областью применения генераторов тока кажется разобрались.

      Что же ещё? Где ещё нам может понадобиться источник стабильного тока?

      Да там где используются резистивные датчики.

      Фоторезисторы, термосопротивления, резистивные тензодатчики и т.д. и т.п.

Рис. 13 Один из вариантов подключения датчиков к генератору тока.

      Сопротивление таких датчиков является функцией какого либо внешнего параметра — температуры, освещённости, давления. Обозначим зависимость Rдат. от величины параметра (P) как f(P).

      Как правило, сопротивление связано с измеряемым параметром определённой математической формулой. Ток протекающий через датчик в случае использования идеального источника тока не зависит от Uпит.

      Падение напряжения на Rдат будет определяться по формуле:

       Uдат. = Iист. * f(P).

      Так как Iист. = const, то Uдат. будет изменяться по тому же закону что и Rдат. Вот здесь нам и пригодилось то, что напряжение на выходе генератора тока «привязано» к Rнагр.

      А дальше всё просто: берём контроллер на основе микропроцессора, закладываем в него софт состоящий из многих программ предназначенных для расчёта различных f(P), программу опроса множества датчиков, величины критических значений измеряемых параметров и подключаем всё это к центральному компьютеру межзвёздного корабля.

      Теперь дежурная вахта в любой момент может получить информацию о величине температуры, освещения и давления в сотнях, а может и тысячах отсеках корабля, и даже о том, с каким ускорением летит корабль.

      Лифт сможет сообщить о том, каков вес груза находящегося в кабине.

      Вот кажется и всё то основное, что я хотел рассказать о генераторе тока.

      Теперь вернёмся к началу статьи. В чём всё-таки сходства и различия генераторов (стабилизаторов, источников) тока от устройств поддерживающих на своём выходе стабильное напряжение (стабилизаторов напряжения)?

      Составим таблицу сравнительных характеристик.

      Отсюда видно, что генератор тока и стабилизатор напряжения представляют собой зеркальное отражение друг друга.

      Я описал лишь некоторые области применения источников тока. На самом деле их намного больше.

      Дерзайте.

      Если вы заметили в статье я постоянно «путал» названия: генератор, источник, стабилизатор.

      Это сделано специально. Т.к. в различной литературе по электронике и электротехнике вы можете столкнуться с любым из них.

      

       И ещё.

      Часто производители в описании своей продукции делают большую ошибку.

      Вот пример:

      

       С сайта «FG Wilson (Engineering) Ltd» :

      

       Схема стабилизатора напряжения R438 обеспечивает управление по замкнутому циклу для выходного напряжения генератора переменного тока регулированием тока поля возбудителя. R438 может получать питание от поля системы с бесщеточным самовозбуждением или ПМГ и, как вариант, устанавливается на следующих генераторах переменного тока:

      Генераторы переменного тока серии 1000*

      Генераторы переменного тока серии 2000

      Генераторы переменного тока серии 3000

      

      В стабилизаторе напряжения R438 предусмотрена возможность проведения следующих регулировок (перед проведением регулировок необходимо внимательно ознакомиться с руководством по установке и техническому обслуживанию генератора переменного тока)

      

      Я не буду воспроизводить всю статью, но и из этой выдержки видно, что для того, кто писал описание этого устройства нет разницы между генератором напряжения и генератором тока.

       На самом деле это совершенно разные устройства.

      Если мы говорим о генераторе тока, то это означает, что нормирован ток.

      Если мы говорим о генераторе напряжения, то это означает, что нормировано напряжение.

      Дополнительно о стабилизаторах тока и напряжения читайте в статье «Стабилизатор тока и стабилизатор напряжения» этого раздела.

Трехфазный генератор переменного тока

Автор Aluarius На чтение 4 мин. Просмотров 3.5k. Опубликовано 27.01.2016

Тот, кто незнаком с генераторами, объясняем, что это агрегат, в котором из одного вида энергии получается другая. А, точнее, из механической электрическая. При этом эти приборы могут генерировать как ток постоянный, так и ток переменный. До середины двадцатого века использовались в основном генераторы постоянного тока. Это были аппараты больших размеров, которые работали не очень хорошо. Появление на рынке диодов полупроводникового типа позволило изобрести трехфазный генератор переменного тока. Именно диоды позволяют выпрямить переменный ток.

Принцип работы

В основе работы трехфазного генератора лежит закон Фарадея – закон электромагнитной индукции, который гласит, что электродвижущая сила будет обязательно индуцироваться во вращающейся прямоугольной рамке, которая установлена между двумя магнитами. При этом делается оговорка, что магниты будут создавать вращающееся магнитное поле. Направление вращения и рамки, и магнитного поля обязательно совпадают. Но электродвижущая сила будет возникать и в том случае, если рамка останется неподвижной, а внутри нее вращать магнит.

Чтобы разобраться, как работает генератор, обратите внимание на рисунок ниже. Это простейшая схема его работы.

Здесь хорошо видны магниты с разными полюсами, рамка, вал и токосъемные кольца, с помощью которых производится отвод тока.

Конечно, это просто схема, хотя лабораторные генераторы так и создавались. На практике же обычные магниты заменяют электромагнитами. Последние – это медная обмотка или катушки индуктивности. Когда по ним проходит электрический ток, образуется необходимое магнитное поле. Такие генераторы установлены во всех автомобилях (это для примера), чтобы их запустить, под капотом устанавливается аккумулятор, то есть, источник постоянного тока. Некоторые модели генераторов запускаются по принципу самовозбуждения или при помощи маломощных генераторов.

Схемa генерaторa переменного токa

Разновидности

В основе классификации заложен принцип действия, поэтому эти агрегаты переменного тока делятся на два класса:

• Асинхронные. Это самые надежные в работе, небольших размеров и веса, простых по конструкции генераторы. Они прекрасно справляются с перегрузками и коротким замыканием. Правда, необходимо учитывать, что данный вид сразу же выходит из строя, если на него будет действовать большая перегрузка. К примеру, пусковой ток электрооборудования. Поэтому стоит учитывать этот факт, для чего придется приобретать генератор мощностью большей раза в три или четыре, чем потребляемая мощность оборудования при запуске.
• Синхронные. А вот этот вид легко справляется с краткосрочными нагрузками. Такой генератор может выдержать перегруз раз в пять или шесть. Правда, высокой надежностью он не отличается по сравнению с асинхронным вариантов, к тому же он является обладателем больших размеров и массы.

Конечно, в данном разделении лежит принцип работы агрегата. Но есть и другие критерии.

• Однофазный.
• Двухфазный.
• Трехфазный.
• Многофазный (обычно шесть фаз).
• Сварочный.
• Линейный.
• Индукционный.
• Стационарный.
• Переносной.

Устройство трехфазного генератора

В принципе, устройство трехфазного генератора переменного тока достаточно простое. Это корпус с двумя крышками с противоположных сторон. В каждой из них проделаны отверстия для вентиляции. В крышках устроены ниши под подшипники, в которых вращается вал. На передний конец вала устанавливается передаточный элемент. К примеру, на автомобильном генераторе установлен шкив, с помощью которого вращение передается от двигателя внутреннего сгорания на генератор. На противоположном конце вала производится передача электрического тока, ведь вал в этом случае выступает как электромагнит с одной обмоткой.

Передача производится через графитовые щетки и токосъемные кольца (они из меди). Щетки соединены с электрорегулятором (по сути, это обычное реле), который регулирует подачу напряжение 12 вольт с требуемыми отклонениями. Самое важное, что реле не повышает и не понижает напряжение в зависимости от скорости вращения самого вала.

Так вот если говорить о трехфазных генераторах переменного тока, то это три вот таких однофазных. Только трехфазный агрегат имеет обмотку не на роторе (валу), а в статоре. И таких обмоток три, которые сдвинуты относительно друг друга по фазе. Вал, как и в первой конструкции, выполняет функции электромагнита, который питается через контакты скользящего типа постоянным током.

Вращение вала создает в обмотках магнитное поле. Электродвижущая сила начинает индуцироваться, когда происходит пересечение магнитного поля обмоток с ротором. А так как обмотки располагаются на статоре симметрично, то есть, через каждые 120º, то соответственно и электродвижущая сила будет иметь одинаковое амплитудное значение.

от первого электрического генератора до современных устройств

Что такое генератор? Это электромеханический прибор, который преобразует кинетическую энергию в электрический переменный ток. Основой энергетического преобразования является вращающееся магнитное поле. Понятие генератора включает в себя массу устройств различного принципа действия. Это гальванические, электростатические приборы, солнечные батареи, турбины электростанций и пр. В статье пойдёт речь именно о генераторах электрической энергии.

Электрогенераторы

Принцип работы электрогенератора

В основу работы агрегатов, преобразующих энергию, положен закон Фарадея об электродвижущей силе (ЭДС). Учёный открыл закон, который объяснил природу появления тока в металлическом контуре (рамке), вращающемуся в однородном магнитном поле (явление индукции). Ток возникает также при вращении постоянных магнитов вокруг металлического контура.

Простейшая схема генератора представляется в виде вращающейся металлической рамки между двумя разно полюсными магнитами. На оси рамки помещают токосъёмные кольца, которые получают заряд электрического тока и передают его дальше по проводникам.

В действительности статор (неподвижная часть прибора) состоит из электромагнитов, а ротором служит группа рамных проводников. Устройство представляет обратный электромотор. Электродвигатель поглощает электрический ток и заставляет вращаться ротор. Электрический генератор, преобразовывающий кинематическую энергию механического вращения в ЭДС, называют индукционным генератором.

Классификация генераторов

Классификация преобразователей энергии даёт чёткое понятие – что такое генератор электрического тока. Различают электрические генераторы по следующим признакам:

• автономность;
• фазность;
• режим работы;
• сфера применения.

Автономность

Главное преимущество, которым обладает электрический генератор, – это его полная независимость от централизованных поставщиков энергии. Автономность электротехнического оборудования бывает стационарной и мобильной.

Стационарные

Обычно это генераторные станции, работающие от дизельных двигателей. Станции используют для электроснабжения потребителей в местах, удалённых от централизованных электрических сетей.

Стационарные генераторные станции необходимы для обеспечения током производственных процессов там, где даже кратковременные перебои поставки электроэнергии недопустимы.

Мобильные

Электрогенераторы мобильного типа выполнены в виде компактных аппаратов, которые можно перемещать в пространстве. Передвижные станции используют для электросварки, местного освещения, снабжения током бытовых электроприборов и многое другое.

Оборудование включает в себя двигатель внутреннего сгорания, работающий на бензине или дизельном топливе. Агрегаты имеют различные габариты. Компактный аппарат может транспортировать один человек. Существуют мобильные агрегаты, которые устанавливаются на специальном автомобильном прицепе.

Бензиновый генератор на колёсной паре

Фазность

По фазовой структуре электрического потока различают однофазные и трёхфазные агрегаты.

Однофазные

Генераторы, производящие однофазный ток, предназначены в основном для питания бытовых приборов. Чаще всего это мобильные аппараты. Однофазными агрегатами хозяева оснащают свои частные домовладения для бытовых нужд (освещения, питания электротехники и др.).

Трёхфазные

Генераторные источники трёхфазного тока используются для питания силового электрооборудования. В некоторых случаях получаемый трёхфазный ток разделяют по фазам. Таким образом, делают развод электропроводки по всему дому для питания бытовых электроприборов.

Важно! Все ветви фазового разделения должны равняться между собой мощности потребления. Если разница нагрузок будет велика, то генератор быстро выйдет из строя.

Режимы работы

В зависимости от того, в каком режиме эксплуатируются агрегаты, их подразделяют на основные и резервные.

Основные

Аппараты предназначены для работы в постоянном режиме. Мощные электрогенераторы с дизельными двигателями относят к промышленным установкам. Устанавливаются там, где требуется получение электроэнергии круглосуточно.

Резервные

Само название агрегатов говорит о применении их в исключительных случаях – при внезапном отключении централизованного электроснабжения. Генераторы могут включаться в работу при срабатывании реле, реагирующего на исчезновение напряжения в электросети централизованного источника. Резервные аппараты рассчитаны на беспрерывную работу в течение нескольких часов.

Сфера применения

Генераторы изготавливают, рассчитанные на две сферы применения: для быта и производства.

Быт

Сейчас торговая сеть предлагает широкий выбор бытовых генераторов. Это однофазные установки, предназначенные для аварийного обеспечения электроэнергией частных домостроений. Также компактные агрегаты используют для питания выносного электрооборудования. Для бытовых электроприборов, использующих цифровую элементную базу важно качество тока. Устройство должно выдавать электроэнергию следующих параметров: 220 В, 1 А, 50 Гц.

Мощные бытовые агрегаты используют для электросварочных работ. Их преимуществом является способность производить ток большой силы для получения электрической дуги.

Обратите внимание! Если в инструкции бытового аппарата производитель не оговаривает применение для электросварки, то его нельзя использовать для сварочных работ. В противном случае генератор выйдет из строя.

Производство

Независимыми мощными стационарными генераторами оснащают цеха промышленных предприятий, жилые районы, строительные объекты, больницы и объёмные общественные здания.

Виды бытовых генераторов

Электротехническая промышленность выпускает бытовые генераторы переменного тока трёх видов:

• газовые;
• бензиновые;
• дизельные.

Газовые

Генераторы газового типа выдают ток низкой себестоимости. Стоимость 1 кВт/ часа составляет 3 рубля. Газовые агрегаты используют как резервные источники электроэнергии. Устройства предназначены для режима кратковременного включения при сбое поставки электрического тока централизованной сетью электроснабжения.

В частных домов используют газовые установки мощностью 5 кВт. Агрегаты оснащены системой автозапуска. При отключении электричества аппарат автоматически включается в работу и восстанавливает напряжение в электросети дома. Генераторы с воздушным охлаждением после 12 часов непрерывной работы требуют перерыва.

Выгодно устанавливать такие преобразователи энергии при центральном газопроводе. Автономное снабжение сжатым природным газом установок связано с рядом условий, таких, как наличие газобаллонного сервиса поставки энергоносителя и технически исправного приёмного оборудования в доме.

Бытовой газовый генератор

Одними из достоинств газовых агрегатов является то, что генераторы работают практически бесшумно, выхлоп продуктов сгорания топлива сведён к 0.

Газовые генераторы устанавливают вне дома. Для обеспечения бесперебойной работы устройства в зимний период помещают в специальные кожухи. Существующие модели – с жидкостным охлаждением, какое допускает их установку внутри дома.

Бензиновые

Бензиновые генераторы в основной своей массе изготавливают мощностью, не превышающей 20 кВт. Устройства используют для аварийного обеспечения электричеством загородных домов, дач, а также для питания ручных электроинструментов, небольших станков и прочее. Генераторы могут поддерживать освещение придомовой территории, автомобильной стоянки и торговых площадей.

Бензогенератор

Дополнительная информация. Стандартное топливо для агрегатов – это бензин марки АИ-92. Кратковременно можно заливать в бак оборудования бензин АИ-76 и АИ-95.

Бензиновые генераторы переменного тока могут быть мобильными и стационарными. Особо мощные тяжёлые установки оснащают колёсной парой. В зависимости от модели, устройства оснащают ручным запуском или стартером. Для понижения шумности работы двигателя внутреннего сгорания аппарат помещают в звукопоглощающий кожух.

Дизельные

Дизельные генераторы переменного тока представляют устройства, мощность которых достигает до 3 мВт. Агрегаты могут служить постоянными источниками электроэнергии для з

Генераторы стабильного тока — Студопедия

Генераторы стабильного тока (ГСТ) должны обеспечивать неизменный выходной ток при изменении нагрузки R_н.

В простейшем случае эта задача может быть решена с помощью токозадающего резистора R(рис. 2.4). В этой схеме реальная нагрузка условно показана как резистор R_н.Ток в нагрузке i_н:

. (2.1)

Если R >> R_н, то ток I_н слабо зависит от изменений сопротивления нагрузки. Действительно, дифференцируя (2.1) получим

. (2.2)

Следовательно, увеличивая R, можно уменьшить изменения тока нагрузки до требуемой величины. Однако схеме на рис. 2.4 присущ недостаток – большая часть мощности, поступающей от источника питания, выделяется в резисторе R и не поступает в нагрузку R_н.

Рис. 2.4

Значительно удобнее вместо резистора R использовать нелинейные элементы, обладающие малым сопротивлением по постоянному току R0 = U / i и большим дифференциальным R_i = DU / DI, например, транзисторы.

На рис. 2.5, а приведена схема простейшего ГСТ на биполярном транзисторе и его эквивалентная схема (рис. 2.5, б). В качестве стабилизирующего элемента используется выходная цепь транзистора (промежуток эмиттер-коллектор), имеющая вольтамперную характеристику требуемого вида (рис. 2.6).

Рис. 2.5 Рис. 2.6

Рабочая точка (ток I_н) определяется пересечением характеристики и нагрузочной линии (точка А). При изменении R_н рабочая точка перемещается по характеристике. Например, при уменьшении сопротивления нагрузки на величину DR_н, рабочая точка переместится в точку В, что приведет к увеличению тока нагрузки на (рис. 2.6). Чем больше выходное дифференциальное сопротивление транзистора R_i = Du / Di(чем более горизонтально идет характеристика), тем меньше изменение тока нагрузки I_н.

Так как на участке стабилизации (пологая область) характеристика транзистора аппроксимируется выражением

i_к = I₀ + u_кэ / R_i , (2. 3)

легко получить

DI_н / I_н = DR_н/ R_i. (2.4)

Таким образом, в транзисторном стабилизаторе стабилизация тока определяется величиной R_i(эквивалент Rна рис. 2.4), которая может достигать десятков и сотен килоом.

Величину тока нагрузки I_н можно задавать, изменяя режим работы транзистора по постоянному току с помощью резисторов R_б1 иR_б2. Часто в цепь эмиттера транзистора включают резистор R_э, улучшающий стабильность и увеличивающий сопротивление R_i.

На рис. 2.7 приведена распространенная схема ГСТ на полевом транзисторе с управляющим переходом. Она удобна тем, что является двухполюсником и напряжение U_зиформируется за счет автоматического смещения U_зи = i_с R_и. В частном случае при R_и = 0 и u_зи= 0, I_н = I_Cмакс.

Рис. 2.7

Широкое распространение в аналоговых ИС получили стабилизаторы тока, называемые токовыми зеркалами или отражате­лями тока. Схема рис. 2.8 отличается от схемы рис. 2.5 способом задания режима транзистора VТ2. Вместо делителя напряжения R_б1 – R_б2 в ней используется нелинейный делитель, составленный из резистора R0 и транзистора VT1, включенного в диодном режиме (в прямом направлении).

Рис. 2.8

Ток I_о в левой части схемы равен

. (2.5)

где U* – прямое напряжение, устанавливающееся на эмиттерном переходе транзистора VT1 под действием тока I₀ (напомним, что для кремниевых транзисторов U* = 0,6…0,8 В).

Ток базы второго транзистора значительно (в b раз) меньше тока I₀ и может не учитываться.

Одновременно напряжение U* поступает на базу транзистора VТ2. Оба транзистора работают в активном режиме и, если они одинаковы, то I_н = I₀ (то, что для VТ1 U_кб = 0, а для VТ2 U_кб > 0 в активном режиме влияет слабо), причем это равенство не нарушается при различных дестабилизирующих воздействиях. Отметим, что «токовые зеркала» особенно эффективны именно в микроэлектронном исполнении, обеспечивающем идентичность параметров транзисторов, одинаковые температурные зависимости, одинаковое «старение» и т. д. Существуют также схемы, в которых «отражение тока» происходит с изменением масштаба. С этой целью в цепи эмиттеров включают резисторыR_Э1≠R_Э1.

Генератор переменного тока — устройство, принцип работы и применение

Когда люди присмотрелись к возможностям электричества, сразу начали придумывать, как бы серьезно поставить на службу эту интересную энергию. И появилась целая гамма приборов, устройств, установок, способных создавать на двух металлических концах электрическое напряжение. К концам сразу же прикрутили два болтика и начали подвешивать к ним все, что вызывало теперь массу интересных эффектов. Устройства эти в целом назвали источниками электроэнергии, или генераторами. А то, что к ним подключалось — электрической цепью. А по мере роста цепей и занятия ими все более значимого и постоянного места в человеческой жизни, их стали называть уже электрическими сетями.

Именно генераторы создали всю нашу электроиндустрию. Чем принцип работы генератора переменного тока отличается от принципов работы первых источников? Некой надежностью и постоянством, происходящими от надежности и всеобщей доступности той энергии, из которой они вырабатывают электричество. Это механическое движение. А у нас мир весь полон движения. И вполне естественно было заставить роторы крутиться, а движение для этого брать из чего-то еще. Из тепла. Сгорает топливо, ротор крутится — генератор тока работает.

Первоначальный источник же был продуктом первых экспериментов. Химия (аккумуляторы), электризация (электрофорные машины) — все это как-то слабо. Потому что непропорционально дорого, сравнительно с количеством энергии, которое потребовали сети. Сначала осветительные, а потом почти сразу трамвайные. Вот трамвай и толкнул генераторы тока вперед в развитии.

Трамвайная линия — это то, где электроэнергия сама производит движение. Плюсом такого подхода оказалась очень удобная подача такого «топлива» на большие довольно расстояния. И очень органично вписалась в затраты по изготовлению самой трамвайной линии. Когда кладут железные пути, что уж там не проложить вдоль них еще и проволоку, подводящую ток к трамваям, которые могут теперь находиться на линии в любом месте и с одинаковой легкостью получать эту энергию.

Преобразование оказалось симметричным: устройство генератора переменного тока практически такое же, как и у двигателя. Только у генератора назначение — вырабатывать электричество, вращая ротор, а у другого электроэнергия крутит почти такой же ротор, а уже он — колеса трамвая.

О такой передаче энергии механики прошлых веков только мечтали. Ведь когда-то с помощью водяного колеса вращали валы обрабатывающих станков в целых цехах. А энергию механическую передавали тоже механически: с помощью валов, шкивов, ремней, шестеренок… Тут же всего-то — два проводочка. А в случае с трамваями вообще один. Второй — сами рельсы.

Ток переменный и ток постоянный

Сначала открыли электрический ток, когда увидели, что он, себя проявляя, действует. Потом только обнаружили, что ток бывает постоянный, но может быть и переменным.

Собственно говоря, генерация тока всегда и происходит от изменения магнитного поля, проходящего через обмотку. И напряжение, которое при этом возникает, просто обязано быть переменным. Потому что технически просто немыслимо заставить магнитное поле изменяться строго равномерно. Источники тока, полученные другим путем, основывались на стационарных процессах (или квазистационарных — учитывая разряд аккумуляторов), поэтому они и давали исключительно постоянный ток. Когда изобрели телеграф — наверное, первое электрическое изобретение, толкнувшее к созданию масштабных электрических линий, — этот самый ток в них был постоянным, хотя и прерывистым. Постоянный ток не очень высокого напряжения дает в передаче на дальние расстояния огромные потери от сопротивления в проводниках. С этим столкнулся уже Самюэль Морзе, когда протягивал свою первую телеграфную линию в 1844 году от Балтимора до Вашингтона. Они с другом сумели с этим справиться, используя «активное усиление» сигнала с помощью реле.

Усиление сигнала с помощью реле

Трамвайные линии, как известно, поначалу унаследовали эту традицию — питаться постоянным электрическим током, хотя конструкция из магнитов и вращающихся в их поле проводников, будучи использована в качестве генератора, легче и проще производит именно переменный ток.

Назначение генератора — выработка напряжения, постоянного и переменного, отсюда его устройство и принцип работы.

А типы вырабатываемого напряжения и определили строение и принцип действия генераторов.

Поэтому и различаются генераторы типами — генератор постоянного тока и генератор переменного тока.

В генераторах постоянного тока этого постоянства достигают конструкционными ухищрениями: путем создания определенной конфигурации магнитного поля, путем увеличения количества якорных рамок в роторе, в которых наводится разность потенциалов и снятие его с них с помощью многоконтактного коллектора, путем организации особых режимов тока возбуждения на специальных обмотках возбуждения, установленных на магнитах статора, и т. д.

Но, оказалось, проще добиться того же эффекта другим путем: индукционный генератор переменного тока напряжение вырабатывает, а потом оно «выпрямляется» обычной схемой диодного выпрямителя. Что и делает, например, генератор автомобиля.

Принцип работы устройства

Генератор переменного тока — это механико-индукционная машина, создающая переменное электрическое напряжение на своих выходных контактах в ответ на вращение своей подвижной части посторонней силой.

Подвижная часть генератора (или альтернатора) называется ротором, неподвижная — статором.

Две части генератора производят следующее: одна из них создает магнитное поле, а вторая часть содержит проводники, расположенные так, что при изменении относительно них этого магнитного поля (назовем его генерирующим), на их противоположных концах возникает разность потенциалов. Она снимается и переправляется с этих проводников на выходные контакты.

Виды генераторов переменного тока

Отсюда возможны два варианта конструкций генератора переменного тока, в которых:

• генерирующее магнитное поле создается в статоре и неподвижно;
• генерирующее магнитное поле создается в роторе и вращается вместе с ним.

В любом случае напряжение, возникающее в результате генерации, нужно снимать не с той части генератора, где создается магнитное поле, а с противоположной.

Первоначально — начиная с опытов по вращению рамки из проводника в неподвижном магнитном поле — ротор и служил для наведения в его обмотках (или рамках) электрической индукции, порождавшей движение электронов к разным концам этих проводников, отчего и возникало напряжение.

Видимо, это связано с тем, что магниты выбирали побольше и потяжелее, дабы создавать сильное поле с большим градиентом, а рамочки с током были совсем легкие. Но теперь и ротор, и статор — это точно пригнанные друг к другу массивные части. Напряжение с вращающегося ротора (или якоря) необходимо снять с помощью специального механизма и отправить на неподвижные выходные контакты. Такой механизм называется коллектором (от лат. «сборщик»), в нем неподвижные подпружиненные щетки, «протянутые» от статора, плотно прижимаются к вращающимся вместе с ротором контактам.

Принцип устройства генераторов электрического тока

Быть может, конструктивно это самая узкая часть электродвигателей и генераторов. Она требует специального исполнения, при вращении детали ее стираются, от плохих контактов — при стертых пластинах контактов, или промежутков между ними, или стертых щетках (которые изготовляются обычно из графита — а от него токопроводящая пыль) — начинается искрение при вращении, и это никому не нравится.

Поэтому самым удобным вариантом генераторов переменного тока является второй. Это когда магнитное поле вращается ротором, а напряжение возникает в неподвижном статоре. И его не надо снимать никаким замысловатым образом.

Однофазные и многофазные

Принцип работы

Магнитное поле можно гонять (изменять, вращать) над одной системой проводников (имеющих два полюса) или над несколькими.

Схема простейшего генератора Схема простейшего генератора

Из рисунка понятно, как устроен простейший генератор переменного тока. Из чего состоит генератор? Основные части — ротор и статор. Мы видим, что ротор с установленным в нем магнитом N–S вращается. При этом полюса магнита, то N, то S, попеременно совсем близко от катушек с обмотками. Обмотки последовательно соединяются друг с другом и потом с выходными контактами. Направление и поток магнитного поля, проходящий через обмотки, при вращении изменяется. От чего и возникает переменное напряжение на выходных контактах с частотой f вращения ротора. Происходит генерирование напряжения, а при подключении к контактам нагрузки возникает переменный ток частоты f.

Схема эта — наипростейшая. Она только чуть сложнее, чем те рамочки, которые крутили когда-то в поле двух магнитов. Только теперь, наоборот, магнит, установленный на роторе, вращается, а неподвижные катушки дают напряжение.

Напряжение получается синусоидальным, достигает максимума и минимума, когда около катушек проходят полюса магнита — около них поток магнитного поля наиболее плотен, и поэтому происходит самое быстрое изменение поля. И на контактах в это время будет наведено максимальное по величине напряжение U, или — U . Когда же ротор повернется так, что магнит будет проходить горизонтальное положение, выходное напряжение будет пересекать нулевое значение.

Трехфазный генератор переменного тока

Однако мы видим, что в этой простой электрической машине еще очень много свободного места. Что ж, можно по периметру статора поставить не одну пару, а несколько пар катушек. Но придется тогда от каждой пары катушек отводить отдельные контакты для напряжений, чтобы напряжения разных пар не гасили друг друга. Получится как бы несколько генераторов в одном, каждый из них будет давать синусоидальное напряжение, но так как катушки повернуты относительно друг друга, и синусоиды будут сдвинуты ровно на такой угол, на какой сдвинуты пары катушек относительно нашей первоначальной.

  Схема трехфазного генератора  Схема простейшего генератора

Катушки распределены по периметру статора равномерно, то есть друг от друга отстоят на угол 120⁰. Точно такой сдвиг фаз получается и у напряжений. Напряжение U1 с нулевым сдвигом (это наша первая пара катушек), напряжение U2 — 120⁰ и напряжение U3 — 240⁰.

Такое напряжение называется трехфазным. Его возможно передавать с помощью единой системы проводов — три провода по одной на каждую фазу, а ноль всех трех объединяется в один. Это можно сделать двумя способами: соединив обмотки катушек по типу «треугольник» или «звезда».

Можно придумать и другие схемы генерации переменного напряжения, например, установив не три пары катушек, а только две. Тогда разница фаз между ними получится в 90⁰.

Применение нашла именно трехфазная система генерации.

При потреблении трехфазного напряжения часто выделяют отдельные фазы и раздают их разным потребителям. Когда потребителей много, то случайным образом «раздавать» фазы можно — в среднем обычно получается одинаковая нагрузка на все фазы. Но это должно отслеживаться. Потому что если потребление по разным фазам сильно отличается или оно очень неравномерно себя ведет во времени, наступает такое явление, как «перекос фаз». Напряжение по разным фазам начинает отличаться. А это ведет к очень многим плохим последствиям: перерасходу электроэнергии, выходу из строя трансформаторов, электроприборов, двигателей. На электростанции — к падению КПД генераторов (они начнут как бы «хромать») и даже выходу из строя генераторов электроэнергии. Чтобы минимизировать такого рода ущерб, нулевой провод обычно хорошо заземляют, но и следить должны энергетики за таким неприятным явлением.

Возбуждение генератора

Реальный генератор отличается от тут нарисованного еще и тем, что в качестве источника магнитного поля использовать постоянные магниты — занятие бесполезное. Магнитное поле в промышленной установке должно быть строго определенной и строго выдерживаемой напряженности. А как добиться строго одинаковой напряженности магнитов на разных фазах в трехфазном генераторе переменного тока? Иначе и напряжения на них будут разные, и будут фазы «вечно хромающими». Поэтому на роторе вместо магнитов используют электромагниты с сердечниками. К ним подводится постоянное напряжение, и они во время работы генератора возбуждают электромагнитное поле строго заданной интенсивности. Постоянное напряжение подается от независимого источника — это может быть аккумулятор или другой источник постоянного тока. Тут опять проблема: или взгромоздить на ротор еще и аккумулятор для питания катушек возбуждения, или снова заморачиваться с коллекторами для передачи напряжения возбуждения. Решение можно назвать соломоновым: сделать на одном роторе как бы сразу два генератора, только второй питает током обмотки возбуждения первого. А в статоре, соответственно, добавляются еще электромагниты для возбуждения магнитного поля в этом втором генераторе, ток от которого используется только в самом роторе, следовательно, снаружи никому и не нужен. И не надо городить никаких коллекторов для его съема. Такая конструкция стала называться «бесщеточный синхронный генератор переменного тока».

Синхронным он называется потому, что оба источника — и генератор тока возбуждения, и генератор-устройство, дающее конечный результат — напряжение на выходе, работают одновременно на одном и том же роторе.

С помощью тока возбуждения можно влиять на напряжение, которое дает генератор-устройство: при увеличении тока возбуждения соответственно усиливается и магнитное поле, возбуждаемое ротором, отчего главные обмотки генератора и будут вырабатывать переменное напряжение более высокой амплитуды.

Этим пользуются для регулировки напряжения, так как скорость вращения ротора менять нельзя, иначе изменится и частота, а она задана жестко техническими характеристиками всей нашей сети электроэнергии.

Наша энергосистема вырабатывает напряжение частотой строго 50 Гц, ее и производят генераторы электростанций — все они вращают свои роторы со скоростью, кратной 50 Гц. А конструкция ротора выводит напряжение, изменяющееся 50 раз в секунду.

Однако во многих случаях, где высокая точность частоты вырабатываемой энергии не критична, используют асинхронные генераторы. Они проще и дешевле синхронных, но дают напряжение с большим разбросом параметров. Это неважно там, где оно последующими схемами все равно будет преобразовано в постоянное.

Похожие статьи:

current generation — Перевод на испанский — примеры английский

Эти примеры могут содержать грубые слова на основании вашего поиска.

Эти примеры могут содержать разговорные слова, основанные на вашем поиске.

Модернизируйте свои считыватели текущего поколения быстро и легко.

Игры работают без сбоев на смартфонах текущего поколения .

La ejecución de los juegos tiene bastante fluidez en la generación актуальных смартфонов.

Таким образом, у вас есть большой выбор в вычислительной системе текущего поколения .

Así que usted tiene una gran cantidad de opciones en la actual generación de computación.

Многие представители нынешнего поколения чилийских ученых сделали свои первые академические шаги в стране.

Muchos объединяет фактических поколений de científicos chilenos dieron sus primeros pasos académicos en el país.

Вот несколько примеров профессиональных графических карт для рабочих станций САПР текущего поколения .

Продолжение, которое включает в себя алгоритмы создания фактических графических изображений для профессиональных профессиональных CAD-систем.

По сравнению с прессом WinklePress Green текущего поколения есть явные визуальные различия.

Сравнение визуализации с фактического поколения от WinklePress Green, с разными вариантами.

Что останется после нынешнего поколения ?

Компания разработала этот продукт с учетом всех важных моментов, в том числе вкуса нынешнего поколения .

Compañía ha Disñado este producto después de considerar todos los puntos importantes, como el gusto de la generación actual .

Они оставили уникальное наследие и вдохновение для нынешнего поколения карибских ботаников.

Dejaron un legado e inspiración únicos a la generación Actual de botánicos del Caribe.

Далее Президент пообещал, что к нынешнему поколению ветеранов будут относиться лучше.

Высокое энергопотребление мобильных устройств текущего поколения при подключении к Интернету.

Elevado consumo energético de la actual generación de dispositivos móviles en el uso y navegación por Internet.

нынешнего поколения серьезно противостоит проблеме детского ожирения.

Государство стремится обеспечить грамотность нынешнего поколения детей школьного возраста.

El Estado se esfuerza por consguir que los escolares de la actual generación aprendan a leer y escribir.

Современное поколение еще не усвоило уроки, извлеченные с такими страданиями предыдущими поколениями.

La actual generación aún no había asimilado las lecciones aprendidas con tanto sacrificio por las generaciones Predentes.

Цифровые камеры текущего поколения уже предлагают разрешение более 10 мегапикселей.

Las cámaras digitales de la generación фактических официальных разрешений 10 мегапикселей.

Это тем более необходимо, поскольку текущее поколение не удалось последующим поколениям во многих областях.

Esto resulta aún más necesario porque, en muchos aspectos, la generación actual no ha cumplido con su deber hacia las generaciones futuras.

От будущих поколений нельзя требовать жертвовать своим процветанием или благополучием; поэтому изменения должны начинаться с текущего поколения .

No se debe exigir a las generaciones futuras que sacrifiquen su prosperidad o bienestar; por consiguiente, el cambio debe comenzar a partir de la generación actual .

текущего поколения детей очень рано начинают знакомиться с компьютером.

La actual generación de niños es muy temprano para empezar a ownizarse con el ordenador.

Платформа используется совместно с нынешнего поколения Nissan Elgrand.

Текущее поколение продуктов MimioClassroom полностью совместимо с программным обеспечением MimioStudio.

Фактическое генерации продуктов MimioClassroom полностью совместимо с программным обеспечением MimioStudio.

Генерация тока посредством квантового переноса протона — ScienceDaily

NIMS и Университет Хоккайдо совместно обнаружили, что перенос протона в электрохимических реакциях регулируется квантовым туннельным эффектом (QTE) при определенных условиях. Кроме того, они впервые в истории наблюдали переход между квантовым и классическим режимами электрохимического переноса протона с помощью управляющего потенциала. Эти результаты указывают на участие QTE в электрохимическом переносе протонов, являющемся предметом длительных дискуссий, и могут ускорить фундаментальные исследования, ведущие к разработке высокоэффективных систем электрохимического преобразования энергии, основанных на квантовой механике.

Многие современные электронные устройства и технологии, реализовавшие жизнь современников, были созданы на основе фундаментальных принципов квантовой механики. Квантовые эффекты в электрохимических реакциях в топливных элементах и ​​энергетических устройствах, однако, недостаточно изучены из-за сложного движения электронов и протонов, вызываемых процессами электрохимических реакций на поверхности электродов. В результате применение квантовых эффектов в электрохимическом преобразовании энергии не так успешно, как в областях электроники и спинтроники, где поверхностные и межфазные явления одинаково важны во всех этих областях.Предполагая, что электрохимические реакции тесно связаны с квантовыми эффектами, может оказаться целесообразным разработать высокоэффективные механизмы преобразования энергии, основанные на этих эффектах: включая QTE, и устройства, которые используют преимущества таких механизмов.

В этом исследовании исследовательская группа под руководством NIMS сосредоточила внимание на механизмах реакции восстановления кислорода (ORR) — ключевой реакции в топливных элементах — с использованием дейтерия, изотопа водорода, имеющего другую массу. В результате команда подтвердила туннелирование протонов через активационные барьеры в пределах небольшого диапазона перенапряжения.Кроме того, команда обнаружила, что увеличение перенапряжения приводит к переходу путей электрохимической реакции к переносу протона на основе полуклассической теории. Таким образом, эта исследовательская группа обнаружила новые физические процессы: переход между квантовым и классическим режимами в электрохимических реакциях.

Это исследование показывает участие QTE в переносе протонов во время основных процессов преобразования энергии. Это открытие может облегчить исследования микроскопических механизмов электрохимических реакций, которые не изучены в деталях.Это также может стимулировать развитие высокоэффективной технологии электрохимического преобразования энергии с принципом работы, основанным на квантовой механике, способной работать за пределами классического режима.

История Источник:

Материалы предоставлены Национальным институтом материаловедения , Япония . Примечание. Содержимое можно редактировать по стилю и длине.

Фильтр Калмана для ссылочного текущего поколения в шунта Активный фильтр мощности (APF)

Электрическая мощность имеет важное значение для современного образа жизни людей.За последние пять десятилетий развитие отрасли способствовало резкому увеличению типов и мощности подключенной к сети нагрузки. По этой причине все потребители электроэнергии на всех уровнях использования сталкиваются с проблемой качества электроэнергии. Как в промышленном / коммерческом секторе, так и в быту обычно используется чувствительное оборудование и нелинейные нагрузки (NLL). Это непреднамеренно приводит к тому, что из источника питания берется несинусоидальный ток, который содержит вредную гармоническую составляющую, и подается обратно в систему питания в той же точке общего соединения (PCC). Пассивный фильтр — один из распространенных методов, которые использовались для решения этой проблемы. Пассивный фильтр подключается параллельно между источником питания и NLL для улучшения коэффициента мощности и подавления гармоник и, таким образом, имеет более низкий импеданс на настроенной частоте гармоник. Однако этот подход не решает проблему эффективно из-за его неспособности компенсировать случайное изменение частоты тока, проблемы настройки и параллельного резонанса. Среди методов широко использовался алгоритм d-q для устранения гармоник из-за его простоты конструкции управления по сравнению с остальными.Обычно, то д-д алгоритм использует ФНЧ для генерации эталонного тока. Однако временная задержка, вносимая при применении ФНЧ, будет способствовать фазовому сдвигу гармоник и более высокому переходному току. Таким образом, новый предлагаемый метод текущего встроенный опорного генератора с фильтром Калмана для шунтирующей системы APF предлагается, где она уменьшает задержку по времени, таким образом производя улучшение общих общих гармонических искажений в (THD) в системе.

1.1. Современное состояние

Технология фильтров активной мощности (APF) в настоящее время разработана для обеспечения компенсации гармоник, реактивной мощности и тока нейтрали в сетях переменного тока.За последнюю четверть века он развивался с различными конфигурациями, стратегиями управления и твердотельными устройствами. Обычно APF используются для устранения гармоник напряжения, регулирования напряжения на клеммах, подавления скачков напряжения и улучшения баланса напряжений в трехфазных системах. Этот широкий диапазон целей может быть достигнут либо по отдельности, либо в комбинации в зависимости от требований, стратегии управления и конфигурации, которые необходимо выбрать надлежащим образом. В этом разделе описывается история развития и нынешнее состояние технологии APF.

С распространением силовой электроники в преобразователях энергии качество электроэнергии быстро становится все более важным аспектом для потребителей электроэнергии на всех уровнях использования. Большое количество публикаций посвящено обзору качества электроэнергии, измерениям, анализу, причинам и последствиям гармоник и реактивной мощности в электрических сетях [1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9]. APF можно разделить на три типа, а именно, двухпроводные (однофазные), трехпроводные и четырехпроводные трехфазные конфигурации, чтобы удовлетворить требованиям трех типов NLL в системах питания.Бытовые светильники и духовки, телевизоры, блоки питания компьютеров, кондиционеры, лазерные принтеры и аппараты Xerox ведут себя как NLL и вызывают проблемы с качеством электроэнергии для однофазных нагрузок. Для этого типа нагрузки APF исследуются в различных конфигурациях и стратегиях управления [10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19]. Начиная с 1971 года, было разработано множество конфигураций APF для улучшения качества энергосистемы. Его можно разделить на четыре основных типа: последовательные, параллельные (шунтирующие), гибридные APF и унифицированный стабилизатор качества электроэнергии (универсальный AF). Серия APF работает в основном как регулятор напряжения и изолятор гармоник между NLL и энергосистемой [20, 21, 22, 23]. Другими словами, это позволяет только основной составляющей тока течь в системе, подавляя другие высокочастотные составляющие. Его также можно использовать для регулирования напряжения обратной последовательности на нагрузке. Последовательный активный фильтр идеален для устранения и / или поддержания выходного напряжения при уравновешивании трехфазных напряжений [20, 21, 23, 24, 25, 26]. С другой стороны, шунтирующий APF широко используется для подавления гармоник.Он подавляет гармоники тока нагрузки и обеспечивает реактивную компенсацию источника питания за счет подачи в источник равного, но противоположного гармонического компенсирующего тока [27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38]. Шунтирующий APF имеет то преимущество, что пропускает только компенсационный ток плюс небольшое количество активного основного тока для компенсации системных потерь. Также можно подключить несколько фильтров параллельно для обеспечения более высоких токов, что делает этот тип схемы подходящей для широкого диапазона номинальных мощностей [26, 39, 40]. Наиболее распространенная конфигурация шунтирующего APF — это тип инвертора, где роль индуктора фильтра заключается в подавлении высокой частоты при настроенном токе, генерируемом на настроенной частоте, в то время как преобразователь обеспечивает дополнительную фильтрацию для других, которая включает любые случайные изменения с помощью методов переключения [28 , 34, 41, 42]. Контроллер APF шунта может использоваться в прямом или косвенном подключении. Гибридный APF может быть охарактеризован как комбинация пассивного фильтра и APF последовательно или параллельно. Комбинация последовательного APF с параллельным пассивным фильтром является наиболее популярной компоновкой, поскольку твердотельные устройства, используемые в активной последовательной части, помогают уменьшить размер и стоимость примерно до 60–80% от размера нагрузки [43, 44].Кроме того, пассивный параллельный LC-фильтр используется для устранения гармоник более низкого порядка по разумной цене [26, 37, 44, 45, 46, 47, 48, 49]. Другой вариант — комбинация активного фильтра, включенного последовательно, с параллельным пассивным фильтром, который особенно используется для приложений среднего и высокого напряжения [26]. Дальнейшие устройства также включают комбинацию параллельных активных и пассивных фильтров, где часть APF предназначена для устранения гармоник более низкого порядка, а пассивный фильтр работает для устранения гармоник тока основной нагрузки [26].Комбинация последовательно активных и параллельных APF дает единый стабилизатор качества электроэнергии (также известный как универсальный AF). Элемент промежуточного контура индуктивности или конденсатора используется совместно двумя источниками тока или мостами источника напряжения, работающими как активный последовательный и активный параллельный компенсатор [50, 51]. Этот универсальный AF считается идеальным AF, который устраняет гармоники напряжения и тока, таким образом, способный обеспечить чистую мощность для критических и подверженных гармоникам нагрузок, таких как компьютеры, медицинское оборудование и другие. Основные недостатки — большие затраты и сложное управление из-за зависимости от количества задействованных твердотельных устройств [26, 50, 51].

Было разработано множество подходов к управлению для извлечения и оценки гармоник в системе. Теория мгновенной реактивной мощности (теория pq ), модифицированная теория pq [52, 53, 54], теория pqr [55, 56], векторная теория [57] и теория dq [58, 59, 60 ] — это техники, которые относятся к технике извлечения.Из-за простоты конструкции управления по сравнению с остальными, по этой причине алгоритм d-q широко используется для устранения гармоник [61]. С другой стороны, метод оценки используется для оценки гармоник частотной составляющей, присутствующей в сигнале, и измерения или оценки амплитуды и фаз этих частот [62]. Этот подход можно разделить на два класса: непараметрические и параметрические методы. Непараметрические методы основаны на преобразовании последовательности данных заданного временного ряда.