§ 11 учебника К.Ю Богданова для 11 класса
§ 11. генератор переменного тока. Трансформаторы
Трансформаторы практически без потерь передают энергию из одной цепи переменного тока в другую.
Электрическую энергию в отличие от других видов энергии можно передавать со сравнительно малыми потерями на большие расстояния. Электроэнергию получают из других видов энергии с помощью специальных устройств: гальванических элементов, топливных элементов, солнечных батарей и др. Самые распространённые источники электроэнергии — генераторы переменного тока, преобразующие механическую энергию в электрическую.
Работа генератора переменного тока основана на явлении электромагнитной индукции: в проводящем контуре, вращающемся в магнитном поле, возникает переменная ЭДС индукции (см. §10). Простейший генератор (см. рис. 11а) представляет собой неподвижный постоянный магнит или электромагнит (статор, 1), в поле которого вращается катушка (ротор,
ЭДС индукции соседних
витков катушки складываются между собой, и поэтому амплитуда ЭДС индукции всей
катушки пропорциональна количеству витков в ней. Контактные
кольца (3), присоединённые к катушке ротора и подвижные контакты (щетки,
4) соединяют ЭДС индукции с внешней цепью. Ротор может приводиться в движение
турбиной электростанции или двигателем внутреннего сгорания.Для возникновения ЭДС индукции не имеет значения, вращается ли катушка в неподвижном магнитном поле или катушка неподвижна, а вращается поле, – необходимо лишь их относительное вращение. Так как через подвижные контакты трудно пропустить большую силу тока, часто применяется обращенная схема генератора: электромагнит вращается, а катушка неподвижна.
Трансформатором называют электромагнитное устройство,
позволяющее практически без потерь передавать электрическую энергию из одной
цепи переменного тока в другую и при этом увеличивать или уменьшать его напряжение
в несколько раз.
Пусть ключ на рис. 11б разомкнут (режим холостого хода). В
первичной обмотке трансформатора, соединенной с источником переменного тока
течёт ток, в результате чего в сердечнике появляется переменный магнитный поток
Ф, пронизывающий обе обмотки. Так как Ф одинаков
в обеих обмотках трансформатора, то изменение Ф приводит к появлению одинаковой
ЭДС индукции в каждом витке первичной и вторичной обмоток. Поэтому амплитуда ЭДС
индукции в первичной E
Падение напряжение на
первичной обмотке, как на резисторе, очень мало, по сравнению с E1, и поэтому для действующих значений напряжения в
первичной U1 и вторичной U2 обмотках будет справедливо следующее выражение:
где величину К называют коэффициентом трансформации. При К>1 трансформатор называют понижающим, а при К<1 – повышающим.
Если ключ на рис. 11в замкнуть (нагрузить трансформатор), то во вторичной обмотке появится переменный ток. Если считать, что трансформатор передаёт энергию практически без потерь, то мощность, отбираемая трансформатором у источника переменного тока, должна быть приблизительно равна мощности в цепи, подсоединённой ко вторичной обмотке:
Из (11.2) следует, что, например, увеличивая напряжение во
вторичной обмотке, трансформатор во столько же раз уменьшает величину тока в
ней, и наоборот.
Вопросы для повторения:
· На каком явлении основана работа генераторов переменного тока?
· Как трансформатор понижает или повышает напряжение?
· Что такое коэффициент трансформации?
Рис. 11.(а) – схема работы генератора переменного тока, на роторе 2 которого показан только один виток катушки; (б) и (в) – работа трансформатора при холостом ходе и нагрузке, соответственно.
Почему автомобильные генераторы вырабатывают переменный ток?
Вот почему автомобили используют генераторы переменного тока, хотя все устройства на борту работают от постоянного электричестваЗадумывались ли вы когда-нибудь о том, что питает все системы вашего автомобиля? За счет чего заводится мотор, горят лампочки на приборной панели, движутся стрелки и работают бортовые компьютеры? Откуда берется электричество на борту? Конечно, их вырабатывает генератор и аккумулирует химический накопитель энергии многоразового действия – электрический аккумулятор.
Это знают все. Скорее всего, вы также в курсе, что аккумуляторная батарея вырабатывает постоянный ток, который используется в любом автомобиле для запитывания приборов. Однако во всей этой стройной теории, проверенной практикой, присутствует одно странное звено, не желающее поддаваться логике, – генератор вырабатывает ток переменный, тогда как все механизмы на борту машины потребляют ток постоянный. Это не кажется вам странным? Почему так происходит?
На самом деле это интересный вопрос, потому что в этой истории на первый взгляд нет никакого смысла. Если все потребители электричества в вашем автомобиле работают на 12 вольтах постоянного тока, почему автопроизводители больше не используют генераторы, которые производят постоянный ток? Ведь раньше так и делали. Почему необходимо сперва сгенерировать переменный ток, а затем преобразовывать его в постоянное электричество?
Задавшись такого рода вопросами, мы начали докапываться до истины. Ведь есть же в этом какая-то тайная причина.
И вот что мы выяснили.
Во-первых, давайте проясним, что мы подразумеваем под переменным и постоянным током. Автомобили используют постоянный ток, или прямой ток, как его еще называют. В названии скрыта суть феномена. Это тип электричества, который производится батареями, он течет в одном постоянном направлении. Этот же тип электричества производился генераторами, которые ставились на первые автомобили с начала 1900-х годов до 60-х годов прошлого века. На старушках ГАЗ М-20 «Победа» и ГАЗ-69 ставились именно генераторы постоянного тока.
Другой вид электричества – переменный ток – назван так из-за того, что он периодически обращает течение по направлению, а также изменяется по величине, сохраняя свое направление в электрической цепи неизменным. Доступ к этому типу электричества можно получить в любой розетке обычной квартиры по всему миру. Мы используем его для питания электроприборов в частных домах, зданиях, огни больших городов также дают свет благодаря переменному току, потому что его легче передавать на большие расстояния.
Большая часть электроники, в том числе почти вся в вашем автомобиле, использует постоянный ток, преобразуя переменный ток в постоянный для выполнения полезной работы. В бытовых приборах установлены так называемые блоки питания, в которых происходит конвертация одного вида энергии в другой. Побочным результатом работы преобразования является немного тепла на выходе. Чем сложнее бытовая утварь, к примеру компьютер или Smart TV, тем сложнее цепочка преобразований. В некоторых случаях переменный ток частично не изменяется, а лишь корректируется его частота. Поэтому очень важно при замене вышедшего из строя блока питания заменять его на оригинальный, требуемого типа. Иначе технике наступит очень быстрый конец.
Но что-то мы отошли от главных вопросов, поставленных на повестку дня сегодня.
Итак, зачем в автомобилях вырабатывать «неправильный» вид электричества?
В общем, ответ очень прост: таков принцип работы генератора переменного тока.
Наиболее высокий КПД при переводе механической энергии вращения двигателя в электрическую энергию происходит именно по такому принципу. Но есть нюансы.
Кратко принцип работы автомобильного генератора таков:
При включении зажигания на обмотку возбуждения подается напряжение через блок щеток и контактные кольца.
Инициируется появление магнитного поля.
Магнитное поле воздействует на обмотки статора, что приводит к появлению электрического переменного тока.
Далее переменный ток отправляется на выпрямительный блок, где происходит его преобразование в постоянный ток.
Завершающая стадия «готовки» правильного тока – регулятор напряжения.
После всего процесса часть электричества запитывает электропотребители, часть идет на подзарядку аккумулятора, некоторая часть уходит обратно на щетки альтернатора (так когда-то называли генератор переменного тока) для самовозбуждения генератора.
Выше был описан принцип работы современного генератора переменного тока, но так было не всегда. Ранние автомобили с двигателями внутреннего сгорания использовали магнето – простейшее приспособление для преобразования механической энергии в электрическую (переменного тока). Внешне, да и внутренне, эти машинки были даже схожи с более поздними генераторами, но использовались на очень простых автомобильных электрических системах без батарей. Все было просто и безотказно. Не зря некоторые сохранившиеся до наших времен 90-летние автомобили заводятся до сих пор.
Индукторы (второе название магнето) впервые были разработаны человеком с неподражаемым именем – Ипполит Пикси.
Смотрите также: Сколько стоит зарядить электромобиль?
На данный момент мы с вами выяснили, что тип вырабатываемого генераторами тока зависит от продуктивности перевода механической энергии в электрическую, но также немаловажную роль во всей этой истории сыграло снижение массы и габаритов устройства по сравнению с аналогичными по мощности устройствами-производителями постоянного тока.
Разница в весе и габаритах оказалась почти в три раза! Но есть еще один секрет, почему автомобильные генераторы сегодня вырабатывают переменный ток. Вкратце это более передовой эволюционный путь развития генераторов постоянного тока, которых, признаться честно, по сути, и не существовало в чистом виде.
Историческая справка:
Более того, генераторы постоянного тока на самом деле также производили переменный ток, когда якорь (подвижная часть) вращался внутри статора (внешний «корпус», который имеет постоянное магнитное поле). Разве что частота тока была иной и «сгладить» ее в постоянный ток можно было проще – при помощи коммутатора.
Коммутатором тогда называлось механическое приспособление с вращающимся цилиндром, поделенным на сегменты с щетками для создания электрического контакта.
Система работала, но была неидеальна. В ней было множество механических частей, контактные щетки быстро изнашивались, и общая надежность системы была так себе.
Тем не менее это был лучший способ получить постоянный ток, который был нужен вам для зарядки аккумулятора и системы запуска автомобиля.
Так было до конца 1950-х годов, когда начала появляться твердотельная электроника, ставшая решением проблемы преобразования переменного тока в постоянный посредством кремниевых диодных выпрямителей.
Эти выпрямители тока (иногда называемые диодным мостом) показали себя с гораздо лучшей стороны в качестве преобразователей переменного тока в постоянный, что, в свою очередь, позволило использовать более простые, а значит, более надежные генераторы переменного тока в автомобилях.
Первым зарубежным автопроизводителем, который развил эту идею и вывел ее на рынок легковых автомобилей, был Chrysler, имевший опыт работы с выпрямителями и электронными регуляторами напряжения благодаря исследовательской работе, спонсируемой Министерством обороны США. В Википедии отмечается, что американская разработка «…повторяла разработку авторов из СССР», первая конструкция генератора переменного тока была представлена в Советском Союзе за шесть лет до этого.
Единственным, но важным улучшением американцев стало применение кремниевых выпрямительных диодов вместо селеновых.
Смотрите также: Разряд автомобильного аккумулятора: причины и как его избежать
В СССР же, хоть и опоздали на 7 лет с введением в серию генераторов переменного тока на легковые автомобили, опередили весь мир в самой разработке новых типов генераторов. Еще в 1955 году на Горьковском автозаводе было выпущено 2.000 машин с альтернаторами вместо магнето.
«Одними из ведущих разработчиков, благодаря которым в СССР и на европейском континенте появилась первая серийная конструкция генераторов переменного тока, были Ю. А. Купеев (НИИ автоприборов) и В. И. Василевский (КЗАТЭ г. Самара)», – говорится на страницах Википедии.
Итог. Почему генераторы на авто вырабатывают переменный ток?
Ну, а мы завершаем наш рассказ. Первым легковым автомобилем, в базовой комплектации которого устанавливался генератор новой конструкции, стал Plymouth 1960 года выпуска.
Некоторыми из наиболее очевидных преимуществ генератора было то, что на низкой скорости или на холостом ходу он по-прежнему производил достаточно тока, чтобы заряжать аккумулятор, что большинство генераторов того времени были не в состоянии сделать.
Оказалось, что альтернаторы, после того как был налажен массовый выпуск, производить дешевле, чем генераторы старой конструкции, они надежнее, выносливее и производят больше электричества на разных скоростях вращения коленчатого вала. Они сделали настолько большой шаг вперед, что все их плюсы запросто перекрывали единственный минус – они не могли производить постоянный ток. Позиция закрепилась после того, как инженерами был разработан дешевый и надежный твердотельный выпрямитель.
Видите? В конце концов, в этом есть смысл!
Что делает генератор в вашем автомобиле?
Даже если ваш автомобиль не полностью электрический, он опирается на электрическую систему, которая может показаться чертовски сложной, особенно когда речь идет об обслуживании.
Но как только вы начинаете следовать течению, все становится заметно яснее. И во многих отношениях ваш генератор переменного тока находится в центре этого потока. Потому что, хотя аккумулятор помогает завести машину, именно генератор поддерживает ее работу.
Независимо от того, работает ли ваш замок зажигания с помощью ключа или нажатия кнопки, он замыкает цепь между аккумулятором вашего автомобиля, свечами зажигания и стартером. Стартер крутит маховик, зажигаются свечи зажигания, и вуаля, двигатель работает. Однако ни одна батарея не имеет бесконечного количества сока. Кроме того, аккумулятор вашего автомобиля питает не только стартер. Он также позволяет использовать фары и аксессуары, когда двигатель не работает.
Короче говоря, аккумулятор вашего автомобиля регулярно потребляет много энергии.
Но тут на помощь приходит генератор переменного тока. После запуска двигателя генератор переменного тока полностью заряжает аккумулятор. Кроме того, вместо аккумулятора он питает фары, аксессуары и другие электрические системы вашего автомобиля при включенном двигателе, отмечает The Drive .
Помните, что ранее генератор был сердцем электрического тока вашего автомобиля? Что ж, это не так уж далеко от реальности. По общему признанию, кровь — не лучшая метафора для электричества. И технически, вы могли бы завести машину с неисправным генератором, если бы аккумулятор был достаточно свежим и достаточно сильным. Но точно так же, как вы не проживете долго без сердца, машина с неисправным генератором будет работать недолго.
Это универсальный генератор с ременным приводом и преобразователь переменного тока в постоянный. Еще одна причина несовершенства аналогии с сердцем заключается в том, что ваше сердце не производит кровь.
С другой стороны, генератор вашего автомобиля вырабатывает электричество. Первоначально во всех автомобилях использовались генераторы, также известные как динамо-машины или магнето, для подзарядки аккумуляторов и питания немногочисленных электрических аксессуаров. И хотя сегодня генератор делает все это, технически он все еще остается генератором. Только он делает свою работу более изощренно.
На одном конце обычного автомобильного генератора есть шкив. Змеиный ремень двигателя вращает этот шкив, который, в свою очередь, вращает прикрепленный к нему цилиндрический ротор с магнитным покрытием. Когда ротор вращается, он генерирует переменный ток (AC) в медной проводке окружающего статора. И если это звучит знакомо, то это потому, что именно так работают двигатели электромобилей. Таким образом, генератор переменного тока в некотором роде также является электродвигателем.
Однако это еще не все. Хотя генератор переменного тока вырабатывает переменный ток, аккумулятор и электрическая система вашего автомобиля используют постоянный ток (DC).
Но именно поэтому генераторы переменного тока также имеют твердотельные диоды для преобразования переменного тока в постоянный 9.0011 Драйв объясняет. Они значительно проще, легче, надежнее и долговечнее, чем используемые механические динамо-машины. И после преобразования ток проходит через регулятор напряжения, также известный как выпрямитель, который гарантирует, что батарея не будет перезаряжена.
Связанный
Говоря о зарядке, генераторы переменного тока различаются не только габаритными размерами. Они оцениваются в соответствии с силой тока, а для некоторых автомобилей требуются версии с большим усилием из-за дополнительных аксессуаров.
Вот почему полицейским машинам с их дополнительными фарами, компьютерами и прочими штуковинами требуются мощные генераторы переменного тока. Технически, вы можете без проблем установить модернизированный блок в свой автомобиль. Но в этом нет необходимости, если только вы не планируете дальнейшую модернизацию электрооборудования, например, лучшую аудиосистему.
Кроме того, хотя современные генераторы переменного тока имеют схожую конструкцию, они не обязательно идентичны друг другу. Так что, даже если точки крепления совпадают, не меняйте местами тот, что в вашем седане, на тот, что в пикапе. Это особенно верно, если у вас есть гибридный автомобиль или электромобиль.
Гибридные автомобили и электромобили не имеют генераторов переменного тока или не нуждаются в них. Вместо этого они заряжают свои 12-вольтовые батареи с помощью литий-ионных аккумуляторов и преобразователей постоянного тока, объясняет Cars.com . Однако мягкие гибриды являются небольшим исключением.
У них также отсутствуют генераторы, но это потому, что их небольшие электродвигатели служат универсальной заменой стартера и генератора.
Вот вам и скромный генератор. Он может быть маленьким, но это жизненно важная часть вашего автомобиля.
Следите за новостями от MotorBiscuit на нашей странице в Facebook.
Что такое генератор переменного тока и как он работает?
btli-назад-btn Наш блогПоделись этим
Генератор автомобиля является одной из важнейших частей автомобиля. В то время как ваша батарея запускает ваш автомобиль, генератор переменного тока используется для подзарядки и поддержания батареи в рабочем состоянии. Генератор также питает остальные электрические системы, такие как освещение или кондиционер, пока работает двигатель. Генератор преобразует механическую энергию, вырабатываемую двигателем, в электрическую энергию, используемую для питания электрических компонентов автомобиля во время движения.
Итак, мы кратко рассмотрели, что делает генератор переменного тока, как он это делает и почему он важен для правильной работы вашего автомобиля.
ПРИНЦИП РАБОТЫ ГЕНЕРАТОРА АВТОМОБИЛЯ
Детали, из которых состоит генератор переменного тока, и их назначение:
Поликлиновой ремень
принимает механическое усилие от двигателя.
Регулятор напряжения
обеспечивает правильное выходное напряжение генератора и обеспечивает питание остальных частей автомобиля.
Диодный выпрямитель
преобразует переменный ток, вырабатываемый генератором переменного тока, в постоянный, который фактически может использовать автомобиль.
Статор
представляет собой неподвижное кольцо в генераторе переменного тока, футерованное медным проводом. Эта часть обеспечивает электромагнитную энергию, которая заставляет ротор вращаться.
Ротор,
, также известный как вращающийся магнитопровод или маховик , , представляет собой движущуюся часть генератора переменного тока, состоящую из электромагнита, который вращается с высокой скоростью вокруг статора благодаря магнитному полю статора.
Охлаждающий вентилятор
делает именно то, что вы себе представляете: генераторы нагреваются, а охлаждающий вентилятор помогает им охлаждаться.
Знание каждого компонента вашего генератора облегчает понимание того, как он работает. Проще говоря, генератор переменного тока использует вращение двигателя и его соединение через ремень для преобразования указанного вращения (механической энергии) в электрическую энергию, используемую аккумулятором для питания различных электронных систем.
КАК ПРОВЕРИТЬ ГЕНЕРАТОР
Как правило, поворот ключа в замке зажигания вашего автомобиля должен вызывать описанный выше процесс. Индикаторы на приборной панели должны загореться, сообщая вам, что все в рабочем состоянии и что ток, генерируемый генератором переменного тока, достигает ваших электрических систем.
Однако в других случаях один из индикаторов панели может продолжать гореть и указывать на неисправность.
В этом случае вам необходимо оценить признаки, которые показывает ваш автомобиль, чтобы узнать, не работает ли генератор неправильно. Среди признаков, указывающих на неисправность генераторов автомобиля, выделяют:
Горит сигнальная лампа на приборной панели
Без сомнения, это самый простой знак. Если горит индикатор генератора (если он есть в вашем автомобиле) или индикатор аккумулятора, скорее всего, что-то не так с вашим генератором.
Низкий уровень заряда батареи
Этот индикатор предупредит вас, если ваша батарея разряжена из-за неисправного генератора. Чтобы выяснить, связана ли проблема с аккумулятором или генератором, , обязательно зайдите в сервисный центр, и мы проверим для вас и устраним любые проблемы, которые могут у вас возникнуть .
Необычные шумы
Если вы слышите скрежет или визг, это может означать, что ваш генератор не работает должным образом.
Неисправности электронных систем
Если автомобильный генератор не находится в оптимальном состоянии, аккумуляторная батарея не будет заряжаться должным образом и со временем может разрядиться, что приведет к невозможности запуска автомобиля.
ЗАМЕНА ГЕНЕРАТОРА
Если вы считаете, что у вас проблема с генератором, обязательно зайдите в сервисный центр , и мы заменим его для вас . Мы являемся ведущими механиками в районе Торнтона и Мейтленда и предоставляем лучший сервис для вашего автомобиля, какой бы марки он ни был.
ДУМАЕТЕ, ЧТО У ВАШЕГО ГЕНЕРАТОРА ВОЗМОЖНА ПРОБЛЕМА?
Замена автомобильного генератора — нетривиальная операция, требующая специальных знаний механики.
Мы рекомендуем всегда обращаться к профессионалам и экспертам, которые оценивают состояние и состояние вашего автомобиля, особенно когда речь идет о такой важной механической части. В Сервисный центр наши квалифицированные специалисты всегда готовы проконсультировать вас по любым поломкам вашего автомобиля.
Сервисный центр — это группа мастерских, специализирующихся на предоставлении качественных услуг по обслуживанию, техническому обслуживанию и ремонту автомобилей для наших клиентов в Ньюкасле и регионе Хантер-Вэлли, с мастерскими в Мейтленде и Торнтоне.
О
Сервисный центр
Сервисный центр представляет собой группу мастерских, специализирующихся на предоставлении качественного обслуживания автомобилей жителям Ньюкасла и Хантера. Обладая более чем 50-летним опытом работы в сфере обслуживания автомобилей и командой опытных автомехаников, вы можете рассчитывать на непревзойденное качество и душевное спокойствие при работе с любым из сервисных центров. Желая постоянно совершенствоваться и получать опыт от всех мастерских разного размера, мы смогли создать систему для обслуживания вашего автомобиля в соответствии со спецификациями производителя, при этом обеспечивая обслуживание клиентов небольшого семейного бизнеса.
Мы обеспечиваем все аспекты обслуживания автомобилей, техническое обслуживание и ремонт, в том числе; бортовой журнал, гарантийное обслуживание, плановое обслуживание, техническое обслуживание, ремонт автомобилей, шин, кондиционеров, техосмотры и многое другое.