Термін "генерація" в електротехніку прийшов з латинської мови. Він означає «народження». Стосовно енергетики можна сказати, що генераторами називають технічні пристрої, що займаються виробленням електроенергії.
При цьому слід зазначити, що виробляти електричний струм можна за рахунок перетворення різних видів енергії, наприклад:
хімічної;
світловий;
теплової та інших.
Історично склалося так, що генераторами називають конструкції, які перетворюють кінетичну енергію обертання на електрику.
По виду електроенергії, що виробляється, генератори бувають:
1. постійного струму;
2. змінного.
Фізичні закони, які дозволяють створювати сучасні електричні установки для вироблення електроенергії за рахунок перетворень механічної енергії, відкриті вченими Ерстедом та Фарадеєм.
У конструкції будь-якого генератора реалізується , коли відбувається наведення електричного струму в замкнутій рамці за рахунок перетину її магнітним полем, що обертається, яке створюється в спрощених моделях побутового використання або обмотками збудження на промислових виробах підвищених потужностей.
При обертанні рамки змінюється величина магнітного потоку.
Електрорушійна сила, що наводиться у витку, залежить від швидкості зміни магнітного потоку, що пронизує рамку в замкнутому контурі S, і прямо пропорційна його значенню. Чим швидше здійснюється обертання ротора, тим вище величина напруги, що виробляється.
Для того щоб створити замкнутий контур і відвести з нього електричний струм, потрібно створити колектор і щітковий вузол, що забезпечує постійний контакт між рамкою, що обертається, і стаціонарно розташованою частиною схеми.
За рахунок конструкції пружних щіток, що притискаються до колекторних пластин, відбувається передача електричного струму на вихідні клеми, а з них далі він надходить у мережу споживача.
Принцип роботи найпростішого генератора постійного струму
При обертанні рамки навколо осі її ліва та права половинки циклічно проходять біля південного чи північного полюса магнітів. Вони щоразу відбувається зміна напрямів струмів на протилежне отже у кожного полюса вони протікають однією сторону.
Для того, щоб у вихідному ланцюгу створювався постійний струм, на колекторному вузлі створено півкільце для кожної половинки обмотки. Щітки, що прилягають до кільця, знімають потенціал тільки свого знака: позитивний або негативний.
Оскільки півкільце рамки, що обертається, розімкнене, то в ньому створюються моменти, коли струм досягає максимального значення або відсутній. Щоб підтримувати не тільки напрям, а й постійну величину напруги, що виробляється, рамку виготовляють за спеціально підготовленою технологією:
у неї використовують не один виток, а кілька – залежно від величини запланованої напруги;
число рамок не обмежується одним екземпляром: їх намагаються зробити достатньою кількістю для оптимальної підтримки перепадів напруги на одному рівні.
У генератора постійного струму обмотки ротора розташовують у пазах. Це дозволяє скорочувати втрати електромагнітного поля.
Конструктивні особливості генераторів постійного струму
Основними елементами пристрою є:
зовнішня силова рама;
магнітні полюси;
статор;
ротор, що обертається;
комутаційний вузол із щітками.
Корпус виготовляють із сталевих сплавів або чавуну для надання механічної міцності загальної конструкції. Додатковим завданням корпусу є передача магнітного потоку між полюсами.
Полюси магнітів кріплять до корпусу шпильками чи болтами. На них монтують обмотку.
Статор, званий ще ярмом або остовом, виготовляють з феромагнітних матеріалів. На ньому розміщують обмотку котушки збудження. Сердечник статораоснащений магнітними полюсами, що утворюють магнітне силове поле.
Ротор має синонім: якір. Його магнітопровід складається з шихтованих пластин, що знижують утворення вихрових струмів та підвищують ККД. У пази сердечника закладено обмотки ротора та/або самозбудження.
Комутаційний вузолзі щітками може мати різну кількість полюсів, але вона завжди кратна двом. Матеріалом щіток зазвичай використовують графіт. Колекторні пластини виготовляють з міді як найбільш оптимального металу, що підходить за електричними властивостями провідності струму.
Завдяки використанню комутатора на вихідних клемах генератора постійного струму утворюється сигнал пульсуючого виду.
Основні типи конструкцій генераторів постійного струму
За типом живлення обмотки збудження розрізняють пристрої:
1. із самозбудженням;
2. працюючі на основі незалежного включення.
Перші вироби можуть:
використовувати постійні магніти;
або працювати від зовнішніх джерел, наприклад, акумуляторних батарей, вітряної установки...
Генератори з незалежним включенням працюють від власної обмотки, яка може бути підключена:
послідовно;
шунтами чи паралельним збудженням.
Один із варіантів подібного підключення показаний на схемі.
Прикладом генератора постійного струму може бути конструкція, яка раніше часто застосовувалася на автомобільній техніці. Її пристрій такий самий, як у асинхронного двигуна.
Подібні колекторні конструкції здатні працювати в режимі двигуна чи генератора одночасно. За рахунок цього вони набули поширення в існуючих гібридних автомобілях.
Процес утворення якірної реакції
Вона виникає в режимі холостого ходу при неправильному налаштуванні зусилля притискання щіток, що створює неоптимальний режим тертя. Це може призвести до зниження магнітних полів або виникнення пожежі через підвищену освіту іскор.
Способами її зниження є:
компенсації магнітних полів за рахунок підключення додаткових полюсів;
налаштування зсуву положення колекторних щіток.
Переваги генераторів постійного струму
До них відносять:
відсутність втрат на гістерезис та утворення вихрових струмів;
робота в екстремальних умовах;
знижена вага та маленькі габарити.
Принцип роботи найпростішого генератора змінного струму
Усередині цієї конструкції використовуються ті самі деталі, що й у попереднього аналога:
магнітне поле;
рамка, що обертається;
колекторний вузол із щітками для відведення струму.
Основна відмінність полягає у пристрої колекторного вузла, який створений так, що при обертанні рамки через щітки постійно створюється контакт зі своєю половинкою рамки без циклічної зміни положення.
За рахунок цього струм, що змінюється за законами гармоніки в кожній половинці, без змін повністю передається на щітки і далі через них у схему споживача.
Природно, що рамка створена намотуванням не з одного витка, а розрахованої кількості для досягнення оптимальної напруги.
Таким чином, принцип роботи генераторів постійного та змінного струму загальний, а відмінності конструкції полягають у виготовленні:
колекторного вузла ротора, що обертається;
конфігурації обмоток на роторі.
Конструктивні особливості промислових генераторів змінного струму
Розглянемо основні частини промислового індукційного генератора, у якого ротор отримує обертальний рух від розташованої поруч турбіни. У конструкцію статора включений електромагніт (хоча магнітне поле може створюватися набором постійних магнітів) та обмотка ротора з певним числом витків.
Усередині кожного витка індуктується електрорушійна сила, яка послідовно складається в кожному з них і утворює на вихідних затискачах сумарне значення напруги, що видається на схему живлення підключених споживачів.
Щоб підвищити на виході генератора амплітуду ЕРС використовують спеціальну конструкцію магнітної системи, виготовлену з двох магнітопроводів за рахунок застосування спеціальних сортів електротехнічної сталі у вигляді шихтованих пластин з пазами. Усередині них змонтовано обмотки.
У корпусі генератора розташований осердя статора з пазами для розміщення обмотки, що створює магнітне поле.
Ротор, що обертається на підшипниках, теж має магнітопровід з пазами, всередині яких змонтована обмотка, що отримує ЕРС, що індукується. Зазвичай для розміщення осі обертання вибирається горизонтальний напрямок, хоча зустрічаються конструкції генераторів з вертикальним розташуванням і відповідною конструкцією підшипників.
Між статором і ротором завжди створюється зазор, необхідний забезпечення обертання і виключення заклинивания. Але в той же час у ньому відбувається втрата енергії магнітної індукції. Тому його намагаються робити мінімально можливим, оптимально враховуючи обидві ці вимоги.
Розташований на одному валу з ротором збудник є електрогенератором постійного струму, що має відносно невелику потужність. Його призначення: живити електроенергією обмотки силового генератора у стані незалежного збудження.
Подібні збудники застосовують найчастіше з конструкціями турбінних або гідравлічних електрогенераторів при створенні основного або резервного способу збудження.
На картинці промислового генератора показано розташування колекторних кілець і щіток для знімання струмів з конструкції ротора, що обертається. Цей вузол під час роботи відчуває постійні механічні та електричні навантаження. Для їх подолання створюється складна конструкція, яка під час експлуатації потребує періодичних оглядів та виконання профілактичних заходів.
Щоб знизити створювані експлуатаційні витрати застосовується інша, альтернативна технологія, при якій теж використовується взаємодія між електромагнітними полями, що обертаються. Тільки на роторі мають постійні або електричні магніти, а напругу знімають зі стаціонарно розташованої обмотки.
Під час створення такої схеми таку конструкцію можуть називати терміном «альтернатор». Вона застосовується у синхронних генераторах: високочастотних, автомобільних, на тепловозах та суднах, установках електричних станцій енергетики для виробництва електроенергії.
Особливості синхронних генераторів
Принцип дії
Назва та відмітна ознака дії полягає у створенні жорсткого зв'язку між частотою змінної електрорушійної сили, що наводиться в обмотці статора «f» і обертанням ротора.
У статорі вмонтована трифазна обмотка, а на роторі - електромагніт із сердечником та обмоткою збудження, запитаною від ланцюгів постійного струму через щітковий колекторний вузол.
Ротор обертається від джерела механічної енергії - приводного двигуна з однаковою швидкістю. Його магнітне поле здійснює такий самий рух.
В обмотках статора наводяться однакові за величиною, але зрушені на 120 градусів у напрямку електрорушійні сили, що створюють трифазну симетричну систему.
При підключенні на кінці обмоток ланцюгів споживачів у схемі починають діяти струми фаз, які утворюють магнітне поле, що обертається так само: синхронно.
Форма вихідного сигналу ЕРС залежить тільки від закону розподілу вектора магнітної індукції всередині зазору між полюсами ротора і пластинами статора. Тому домагаються створення такої конструкції, коли величина індукції змінюється за синусоїдальним законом.
Коли зазор має постійну характеристику, вектор магнітної індукції всередині зазору створюється за формою трапеції, як показано на графіку ліній 1.
Якщо форму країв на полюсах виправити на косоугольную зі зміною зазору до максимального значення, то можна домогтися синусоїдальної форми розподілу, як показано лінією 2. Цим прийомом і користуються на практиці.
Схеми збудження синхронних генераторів
Магніторушійна сила, що виникає на обмотці збудження «ОВ» ротора, створює магнітне поле. Для цього існують різні конструкції збудників постійного струму, що ґрунтуються на:
1. контактному методі;
2. безконтактний спосіб.
У першому випадку використовується окремий генератор, який називається збудником «В». Його обмотка збудження живиться від додаткового генератора за принципом паралельного збудження, що називається підбудником «ПВ».
Усі ротори розміщуються на загальному валу. За рахунок цього вони обертаються абсолютно однаково. Реостати r1 і r2 служать для регулювання струмів у схемах збудника та підзбудника.
При безконтактному способівідсутні контактні кільця ротора. На ньому монтують трифазну обмотку збудника. Вона синхронно обертається з ротором і передає через спільно випрямляч, що обертається, електричний постійний струм безпосередньо на обмотку збудника «В».
Різновидами безконтактної схеми є:
1. система самозбудження від власної обмотки статора;
2. автоматизована схема.
При першому методінапруга від обмоток статора надходить на понижуючий трансформатор, а потім напівпровідниковий випрямляч «ПП», що виробляє постійний струм.
Цей спосіб початкове збудження створюється з допомогою явища залишкового магнетизму.
Автоматична схема створення самозбудження включає використання:
трансформатора напруги ТН;
автоматизованого регулятора збудження АВР;
трансформатора струму ТТ;
випрямного трансформатора ВТ;
тиристорного перетворювача ТП;
блоку захисту БЗ.
Особливості асинхронних генераторів
Принципова відмінність цих конструкцій полягає у відсутності жорсткого зв'язку між частотами обертання ротора (nr) та індукованої в обмотці ЕРС (n). Між ними завжди існує різниця, яку називають «ковзанням». Її позначають латинською літерою "S" і виражають формулою S=(n-nr)/n.
При підключенні навантаження на генератор створюється гальмівний момент обертання ротора. Він впливає на частоту ЕРС, що виробляється, створює негативне ковзання.
Конструкцію ротора у асинхронних генераторів виготовляють:
короткозамкнутою;
фазний;
порожнистою.
Асинхронні генератори можуть мати:
1. незалежне збудження;
2. самозбудження.
У першому випадку використовується зовнішнє джерело змінної напруги, а в другому - напівпровідникові перетворювачі або конденсатори у первинній, вторинній або обох видах схем.
Таким чином, генератори змінного та постійного струму мають багато спільних рис у принципах побудови, але відрізняються конструктивним виконанням певних елементів.
Життя сучасної людини організовано таким чином, що її інфраструктурне забезпечення задіює безліч компонентів із різними техніко-функціональними властивостями. До таких належать і електроенергія. Пересічний споживач не бачить і не відчуває, як саме вона виконує свої завдання, але кінцевий результат цілком помітний у роботі побутової техніки, та й не тільки. При цьому питання щодо того, звідки береться електрика, у поданні багатьох користувачів тих же домашніх приладів залишаються нерозкритими. Для розширення знань у цій галузі варто розпочати з поняття про електроенергію як таку.
Що таке електрика?
Складність цього поняття цілком зрозуміла, оскільки енергію неможливо позначити як звичайний предмет чи явище, доступне візуальному сприйняттю. При цьому є два підходи до відповіді на питання про те, що таке електрика. Визначення вчених свідчить, що електрика є потоком заряджених частинок, що характеризується спрямованим рухом. Як правило, під частинками розуміються електрони.
У самій галузі енергетики частіше розглядають електроенергію як продукт, що виробляється підстанціями. З цього погляду мають значення та елементи, які безпосередньо беруть участь у процесі формування та передачі струму. Тобто в даному випадку розглядається енергетичне поле, яке створюється навколо провідника або іншого зарядженого тіла. Щоб наблизити таке розуміння енергії до реального спостереження слід розібратися з таким питанням: звідки береться електрика? Існують різні технічні засоби для виробництва струму, і всі вони підпорядковані одному завданню постачання кінцевих споживачів. Втім, до того моменту, коли користувачі зможуть забезпечити свої прилади енергією, вона має пройти кілька етапів.
Вироблення електрики
На сьогоднішній день у сфері енергетики застосовується близько 10 видів станцій, що забезпечують генерацію електрики. Це процес, в результаті якого відбувається перетворення певного виду енергії на струмовий заряд. Іншими словами, електрика формується під час переробки іншої енергії. Зокрема, на спеціалізованих підстанціях використовують як основний робочий ресурс теплову, вітряну, приливну, геотермальну та інші Відповідаючи на запитання щодо того, звідки надходить електрика, варто відзначити інфраструктуру, якою забезпечена кожна підстанція. Будь-який електрогенератор забезпечений складною системою функціональних вузлів і мереж, які дозволяють акумулювати енергію, що виробляється, і готувати її для подальшої передачі на вузли розподілу.
Традиційні електростанції
Хоча за останні роки тенденції в енергетиці змінюються швидкими темпами, можна виділити основні працюючі за класичними принципами. Насамперед це об'єкти теплової генерації. Вироблення ресурсу проводиться в результаті згоряння та подальшого перетворення виділеної При цьому існують різні види таких станцій, серед яких теплофікаційні та конденсаційні. Головною відмінністю між ними є можливість об'єктів другого типу також генерувати теплові потоки. Тобто при відповіді на питання про те, звідки береться електрика, можна відзначити і станції, які паралельно виробляють інші види енергії. Крім теплових об'єктів виробітку, досить поширені гідро- та атомні станції. У першому випадку передбачається від руху води, а в другому - в результаті розподілу атомів у спеціальних реакторах.
Альтернативні джерела енергії
До цієї категорії джерел енергії прийнято відносити сонячні промені, вітер, земельні надра і т. д. Особливо поширені різні генератори, орієнтовані на акумуляцію та перетворення на електрику сонячної енергії. Подібні установки є привабливими тим, що їх може використовувати будь-який споживач в обсягах, необхідних для постачання його будинку. Втім, широкому поширенню подібних генераторів заважає висока вартість обладнання, а також нюанси в експлуатації, зумовлені залежністю робочих фотоелементів від
На рівні великих енергетичних компаній активно розвиваються альтернативні вітряні джерела електрики. Вже сьогодні ціла низка країн використовує програми поступового переходу на цей вид енергозабезпечення. Втім, і в цьому напрямку є свої перешкоди, зумовлені малопотужністю генераторів за високої вартості. Щодо нового альтернативного джерела енергії є природне тепло Землі. У разі станції перетворюють теплову енергію, отриману з глибин підземних каналів.
Розподіл електроенергії
Після вироблення електроенергії починається етап її передачі та розподілу, що забезпечується енергозбутовими компаніями. Постачальники ресурсу організують відповідну інфраструктуру, основу якої становлять електричні мережі. Існує два види каналів, якими реалізується передача електрики, — повітряні та підземні кабельні лінії. Дані мережі є кінцевим джерелом та головною відповіддю на питання про те, звідки береться електрика для різних потреб користувачів. Організації-постачальники прокладають спеціальні траси для розподілу електроенергії, використовуючи різні види кабелів.
Споживачі електрики
Електроенергія потрібна для різних завдань як у побутовому господарстві, так і в промисловому секторі. Класичним прикладом використання цього носія енергії є освітлення. Однак у наші дні електрика в будинку служить для забезпечення більш широкого спектру приладів та обладнання. І це лише невелика частина потреб суспільства у енергопостачанні.
Цей ресурс також потрібен підтримки роботи транспортної інфраструктури: обслуговування ліній тролейбусів, трамваїв і метро тощо. Окремо варто відзначити промислові підприємства. Заводи, комбінати та переробні комплекси найчастіше вимагають підключення величезних потужностей. Можна сказати, це найбільші споживачі електроенергії, які використовують цей ресурс для забезпечення роботи технологічного обладнання та місцевої інфраструктури.
Управління об'єктами електроенергетики
Крім організації електромережевого господарства, що технічно забезпечує можливість передачі та розподілу енергії для кінцевих споживачів, робота даного комплексу неможлива без систем управління. Для реалізації цих завдань постачальники використовують оперативно-диспетчерські пункти, співробітники яких реалізують централізований контроль та керування роботою довірених ним об'єктів електроенергетики. Зокрема подібні служби контролюють параметри мереж, до яких підключаються споживачі електроенергії на різних рівнях. Окремо варто відзначити і відділи, які виконують техобслуговування мереж, запобігаючи зношуванням та відновлюючи пошкодження на окремих ділянках ліній.
Висновок
За весь час існування енергетична галузь зазнала кількох етапів свого розвитку. Останнім часом спостерігаються нові зміни, зумовлені активним освоєнням альтернативних джерел енергії. Успішний розвиток цих напрямів вже сьогодні дає можливість використовувати електрику в будинку, отриманий від індивідуальних побутових генераторів незалежно від центральних мереж. Втім, і у цих галузях є певні складнощі. Насамперед вони пов'язані з фінансовими витратами на закупівлю та монтаж відповідного обладнання — тих самих сонячних панелей з акумуляторами. Але оскільки енергія, що виробляється від альтернативних джерел, є повністю безплатною, то перспективи подальшого просування цих областей зберігають актуальність для різних категорій споживачів.
Немає сьогодні жодної галузі техніки, де в тому чи іншому вигляді не використовувалася б електрика. Тим часом, з вимогами до електричних апаратів пов'язаний рід струму, який живить їх. І хоча змінний струм поширений нині по всьому світу дуже широко, є області, де просто не обійтися без постійного струму.
Першими джерелами придатного до використання постійного струму були гальванічні елементи, які принципово давали хімічним шляхом саме , що є потік електронів, що рухаються в одному незмінному напрямку. Від цього і назва у нього "постійний струм".
Сьогодні постійний струм отримують не тільки від батарей та акумуляторів, але й шляхом випрямлення змінного струму. Саме про те, де і чому використовується в наше століття постійний струм, і йтиметься у цій статті.
Почнемо із тягових двигунів електротранспорту. Метро, тролейбуси, теплоходи та електрички традиційно рухаються двигунами, що живляться постійним струмом. спочатку відрізнялися від двигунів змінного струму тим, що в них можна було плавно змінювати швидкість при збереженні високого крутного моменту.
Змінна напруга випрямляється на тяговій підстанції, після чого подається на контактну мережу - так отримують постійний струм для громадського електротранспорту. На теплоходах електрику для живлення двигунів можна отримати від дизельних генераторів постійного струму.
В електромобілях так само застосовуються мотори постійного струму, які живляться від акумулятора, і тут знову отримуємо перевагу у вигляді крутного моменту приводу, що швидко розвивається, і маємо ще один важливий плюс - можливість рекуперативного гальмування. У момент гальмування мотор перетворюється на генератор постійного струму і заряджає.
Потужні підйомні крани на металургійних заводах, де необхідно плавно орудувати величезного розміру та жахливої маси ковшами з розплавленим металом – використовують мотори постійного струму знову ж таки через їхню відмінну регульованість. Ця ж перевага відноситься до застосування двигунів постійного струму в крокуючих екскаваторах.
Безколекторні двигуни постійного струму здатні розвивати величезні швидкості обертання, що вимірюються десятками та сотнями тисяч обертів на хвилину. Так, високошвидкісні електродвигуни постійного струму невеликих розмірів встановлюють на жорсткі диски, квадрокоптери, пилососи і т. д. Незамінні вони і як крокові приводи управління різними шасі.
Саме собою проходження електронів і іонів в одному напрямку при постійному струмі робить постійний струм принципово незамінним.
Реакція розкладання в електроліті під дією в ньому постійного струму дозволяє осадити на електродах певні елементи. Так отримують алюміній, магній, мідь, марганець та інші метали, а також гази: водень, фтор і т.д, та багато інших речовин. Завдяки електролізу, тобто по суті – постійному струму, існують цілі галузі металургії та хімічної промисловості.
Гальванотехніка немислима без постійного струму. Метали беруть в облогу на поверхню виробів різної форми, таким чином здійснюють зокрема хромування і нікелювання, створюють друковані форми і металеві монументи. Що й казати про застосування гальванізації в медицині для лікування хвороб.
Зварювання на постійному струмі набагато ефективніше, ніж на змінному струмі, шов виходить набагато якіснішим, ніж при зварюванні того ж виробу тим же електродом, але струмом змінним. Усі сучасні видають на електрод постійну напругу.
Потужні дугові лампи, що встановлюються в кінопроекторах численних професійних кіностудій, дають рівне світло без дуги, що гуде, саме завдяки живленню дуги постійним струмом. Світлодіоди, так ті принципово живляться постійним струмом, саме тому більшість сьогоднішніх прожекторів живляться постійним струмом, хоча й одержуваним шляхом перетворення змінного мережного струму або ж від акумуляторів (що іноді дуже навіть зручно).
Двигун внутрішнього згоряння автомобіля хоч і живиться бензином, проте він стартує від акумулятора. І тут постійний струм. Стартер отримує живлення від батареї з напругою 12 вольт, і в момент старту забирає від неї струм у десятки ампер.
Після старту акумулятор в автомобілі заряджається генератором, який виробляє змінний трифазний струм, що відразу випрямляється і подається на клеми акумулятора. Змінним струмом акумулятор не зарядиш.
А резервні джерела живлення? Якщо навіть величезна електростанція стала через аварію, то і тут дати старт турбогенераторам допоможуть допоміжні акумулятори. І найпростіші домашні джерела безперебійного живлення комп'ютерів теж не обійдуться без акумуляторів, що дають постійний струм, з якого шляхом перетворення в інверторі виходить змінний струм. А сигнальні лампи і майже скрізь живиться від акумуляторів, тобто і тут став у пригоді постійний струм.
Підводний човен - і той використовує на борту постійний струм для живлення електродвигуна, що обертає гребний гвинт. Обертання турбогенератора на найсучасніших атомоходах хоч і досягається шляхом ядерних реакцій, проте електроенергія подається на двигун у вигляді того ж постійного струму. Те саме стосується і дизель-електричних субмарин.
І звичайно, не тільки електровози шахт, навантажувачі чи електрокари використовують постійний струм від акумуляторів. Всі електронні гаджети, які ми носимо із собою, містять літієві акумулятори, які видають постійну напругу та заряджаються постійним струмом від зарядних пристроїв. А якщо згадати радіозв'язок, телебачення, радіо- і теле- мовлення, інтернет і т. д. Насправді виходить, що добра частина всіх пристроїв живиться прямо або опосередковано постійним струмом від акумуляторів.
Чи замислювалися ви колись про те, що живить все ? За рахунок чого заводиться мотор, горять лампочки на панелі приладів, рухаються стрілки і працюють бортові комп'ютери? Звідки береться електрика на борту? Звичайно, їх виробляє генератор та акумулює хімічний накопичувач енергії багаторазової дії – електричний акумулятор. Це знають усі. Швидше за все, ви також знаєте, що акумуляторна батарея виробляє постійний струм, який використовується в будь-якому автомобілі для запитування приладів. Однак у всій цій стрункій теорії, перевіреній практикою, є одна дивна ланка, яка не бажає піддаватися логіці, - генератор виробляє змінний струм, тоді як всі механізми на борту машини споживають постійний струм. Це не здається вам дивним? Чому так відбувається?
Насправді це цікаве питання, тому що в цій історії на перший погляд немає жодного сенсу. Якщо всі споживачі електрики у вашому автомобілі працюють на 12 вольтах постійного струму, то чому автовиробники більше не використовують генератори, які виробляють постійний струм? Адже раніше так і робили. Чому необхідно спочатку згенерувати змінний струм, а потім перетворювати його на постійну електрику?
Задавшись такими питаннями, ми почали докопуватися до істини. Адже є в цьому якась таємна причина. І ось, що ми з'ясували.
По-перше, давайте прояснимо, що ми маємо на увазі під змінним і постійним струмом. Автомобілі використовують постійний струм, або прямий струм, як його ще називають. У назві прихована суть феномена. Це тип електрики, що виробляється батареями, він тече в одному постійному напрямку. Цей же тип електрики вироблявся генераторами, які ставилися на перші автомобілі з початку 1900-х до 60-х років минулого століття. На стареньких і ГАЗ-69 ставилися саме генератори постійного струму.
Інший вид електрики - змінний струм- названий так через те, що він періодично звертає течію у напрямку, а також змінюється за величиною, зберігаючи свій напрямок в електричному ланцюзі незмінним. Доступ до цього типу електрики можна отримати у будь-якій розетці звичайної квартири по всьому світу. Ми використовуємо його для живлення електроприладів у приватних будинках, будинках, вогні великих міст також дають світло завдяки змінному струму, тому що його легше передавати на великі відстані.
Більшість електроніки, у тому числі майже вся у вашому автомобілі, використовує постійний струм, перетворюючи змінний струм на постійний для виконання корисної роботи. У побутових приладах встановлені звані блоки живлення, в яких відбувається конвертація одного виду енергії в інший. Побічним результатом роботи перетворення є трохи тепла на виході. Чим складніше побутове начиння, наприклад комп'ютер або Smart TV, тим складніше ланцюжок перетворень. У деяких випадках змінний струм частково не змінюється, лише коригується його частота. Тому дуже важливо при заміні блоку живлення, що вийшов з ладу, замінювати його на оригінальний, необхідного типу. Інакше технікою настане дуже швидкий кінець.
Але щось ми відійшли від головних питань, поставлених на порядок денний сьогодні.
Отже, навіщо в автомобілях виробляти неправильний вид електрики?
Загалом, відповідь дуже проста: такий принцип роботи генератора змінного струму. Найбільш високий ККД при переведенні механічної енергії обертання двигуна в електричну енергію відбувається саме за таким принципом. Але є нюанси.
Коротко принцип роботи автомобільного генератора такий:
При включенні запалення на обмотку збудження подається напруга через блок щіток та контактні кільця.
Ініціюється поява магнітного поля.
Магнітне поле впливає на обмотки статора, що призводить до появи електричного змінного струму.
Завершальна стадія «готовки» правильного струму – регулятор напруги.
Після всього процесу частина електрики запитує електроспоживачі, частина йде на заряджання акумулятора, деяка частина йде назад на щітки альтернатора (так колись називали генератор змінного струму) для самозбудження генератора.
Вище було описано принцип роботи сучасного генератора змінного струму, але не завжди. Ранні автомобілі з двигунами внутрішнього згоряння використовували магнето - найпростіше пристосування для перетворення механічної енергії на електричну (змінного струму). Зовнішньо, та й внутрішньо, ці машинки були навіть схожі з пізнішими генераторами, але використовувалися на дуже простих автомобільних електричних системах без батарей. Все було просто та безвідмовно. Не дарма деякі 90-річні автомобілі, що збереглися до наших часів, заводяться досі.
Індуктори (друга назва магнето) вперше були розроблені людиною з неповторним ім'ям - Іполит Піксі.
На даний момент ми з вами з'ясували, що тип струму, що виробляється генераторами, залежить від продуктивності переведення механічної енергії в електричну, але також важливу роль у всій цій історії відіграло зниження маси і габаритів пристрою в порівнянні з аналогічними за потужністю пристроями-виробниками постійного струму. Різниця у вазі та габаритах виявилася майже втричі! Але є ще один секрет, чому автомобільні генератори сьогодні виробляють змінний струм. Коротко це більш передовий еволюційний шлях розвитку генераторів постійного струму, яких, чесно, по суті, і не існувало в чистому вигляді.
Історична довідка:
Більше того, генератори постійного струму насправді також робили змінний струм, коли якір (рухлива частина) обертався всередині статора (зовнішній «корпус», який має постійне магнітне поле). Хіба що частота струму була іншою і «згладити» її в постійний струм можна було простіше – за допомогою комутатора.
Комутатором тоді називалося механічне пристосування з циліндром, що обертається, поділеним на сегменти зі щітками для створення електричного контакту.
Система працювала, але була неідеальною. У ній було безліч механічних частин, контактні щітки швидко зношувалися, і загальна надійність системи була така собі. Тим не менш, це був найкращий спосіб отримати постійний струм, який був потрібен вам для зарядки акумулятора і системи запуску автомобіля.
Так було до кінця 1950-х років, коли почала з'являтися твердотільна електроніка, що стала вирішенням проблеми перетворення змінного струму на постійний за допомогою кремнієвих діодних випрямлячів.
Ці випрямлячі струму (іноді звані діодним мостом) показали себе з кращого боку як перетворювачів змінного струму на постійний, що, своєю чергою, дозволило використовувати прості, отже, надійніші генератори змінного струму в автомобілях.
Першим закордонним автовиробником, який розвинув цю ідею і вивів її на ринок легкових автомобілів, був Chrysler, який мав досвід роботи з випрямлячами та електронними регуляторами напруги завдяки дослідницькій роботі, спонсорованій Міністерством оборони США. У Вікіпедії зазначається, що американська розробка «…повторювала розробку авторів із СРСР»Перша конструкція генератора змінного струму була представлена в Радянському Союзі за шість років до цього. Єдиним, але важливим поліпшенням американців стало застосування кремнієвих діодів, що випрямляють, замість селенових.
