Генераторы: устройство,технологии, особенности применения

«А зачем он, собственно, нужен?» – вполне резонно спросят многие читатели. Оказывается, что большинству подобный агрегат просто необходим, причем причины у каждого покупателя свои.

Избалованные комфортом городские жители, однажды увидев у приятеля на пикнике генератор, уже не представляют себе отдыха за городом без этого «чуда».

Для других станция – это порой единственный источник электроснабжения из-за проблем с централизованной сетью или вовсе из-за ее отсутствия.

Ремонтные бригады, аварийные службы, владельцы коттеджей, магазинов и АЗС – это далеко не полный перечень клиентов фирм по продаже генераторов.

Вот и получается, что очень разные люди для совершенно разных целей рано или поздно решаются приобрести свою собственную автономную «электророзетку». Именно так нужно воспринимать современную, компактную, экономичную и тихую бензиновую (дизельную) электростанцию.

Это надо знать

При выборе генератора, как правило, руководствуются личными предпочтениями. Кому-то подавай мобильность и малый вес, другому необходимы возможность автоматизации и длительной безостановочной работы, а иной хочет то и другое сразу, да чтобы дешево. Но в любом случае приходится решать задачу выбора агрегата соответствующей мощности. Для начала попробуем выяснить, что же это такое – «мощность электрического тока»?

Как рассчитать необходимую мощность генератора?

Возьмем, к примеру, 2-киловаттный обогреватель, 1-киловаттный пылесос и 300-ваттную морозильную камеру. Что объединяет столь разные нагрузки? Оказывается, чтобы «запитать» каждую из них, необходим электрогенератор мощностью как минимум 3 кВ•А.

Возникает два резонных вопроса. Первый: почему одна и та же величина (мощность) указывается в разных единицах измерения: кВт и кВ•А? И второй: почему потребителей электрической энергии (у нас это обогреватель, пылесос и морозильник) нельзя «стричь под одну гребенку»?

Что такое коэффициент мощности?

Из школьного курса физики известно, что мощность равна произведению напряжения и тока. Поэтому логично, что измеряется она в вольт-амперах, или ВА. Это полная или, как ее еще называют, кажущаяся мощность. Последняя делится на две составляющие.

За счет небольших размеров некоторые модели генераторов удобно не только перевозить, но и переносить.

Активная (полезная) расходуется непосредственно на совершение работы, типичной для данного электроприбора. Эту «видимую» часть измеряют в ваттах, или Вт. Реактивная, измеряемая в вольт-амперах реактивных (вар), тратится на создание магнитных полей в катушках и электрических полей в конденсаторах.

После взаимодействия с нагрузками реактивного характера синусоиды тока и напряжения сдвигаются друг относительно друга на некоторый угол Phi. Чем он ближе к 0 (cos Phi – > 1), тем больше полезная мощность, так как в конкретный момент времени перемножаются максимальные значения вольтажа и ампер. Приборы с cos Phi менее 0,7 подключать к сети запрещено правилами.

Теперь ответим на второй вопрос. Начнем с пылесоса: почему применительно к нему нельзя полностью реализовать мощность генератора?

Электрическое сопротивление пылесоса имеет реактивную составляющую, причем индуктивного характера. Главный «виновник» этого – электромотор с его обмотками, которые добавляют к разности фаз генератора (альтернатора) электростанции собственную разность фаз того же знака (направления). В результате приходится применять еще один – поправочный – коэффициент мощности характеризующий теперь уже потребителя энергии.

Электрогенератор

Электрогенератор, или альтернатор, как его часто называют специалисты, преобразует механическую энергию вращения вала двигателя в электромагнитную энергию переменного тока В зависимости от его типа и конструкции электростанция подходит для решения тех или иных задач.

Синхронный или асинхронный?

Для возбуждения ЭДС (электродвижущей силы) в обмотках статора (неподвижная часть генератора) нужно создать переменное магнитное поле. Это достигается вращением намагниченного ротора (другое его название – якорь). Для намагничивания используют разные приемы.

Так, у синхронного генератора на якоре имеются обмотки, на которые подается электрический ток. Изменяя его величину, можно влиять на магнитное поле, а, следовательно, и на напряжение на выходе статорных обмоток. Роль регулятора прекрасно играет простейшая электрическая схема с обратной связью по току и напряжению. Благодаря этому способность синхронного альтернатора «проглатывать» кратковременные перегрузки очень высока и ограничена лишь омическим (активным) сопротивлением его обмоток.

Однако у такой схемы есть и недостатки. Прежде всего, ток приходится подавать на вращающийся ротор, для чего традиционно используют щеточный узел. Работая с довольно большими (особенно во время перегрузок) токами, щетки перегреваются и частично «выгорают». Это приводит к плохому их прилеганию к коллектору, к повышению омического сопротивления и к дальнейшему перегреву узла. Кроме того, подвижный контакт неизбежно искрит, а значит, становится источником радиопомех.

Чтобы избежать преждевременного износа, рекомендуется время от времени контролировать состояние щеточного узла и при необходимости очищать либо менять щетки. Кстати, после их замены желательно дать им время «приработаться» к коллектору, а уж затем нагружать станцию «по полной программе».

Многие самые современные синхронные генераторы снабжены бесщеточными системами возбуждения тока на катушках ротора (их еще называют brashless). Они лишены перечисленных недостатков, а потому предпочтительнее.

Асинхронный генератор вообще не имеет обмоток на роторе. Для возбуждения ЭДС в его выходной цепи используют остаточную намагниченность якоря. Конструктивно такой альтернатор намного проще, надежнее и долговечнее. К тому же, поскольку обмотки ротора охлаждать не нужно (их просто нет), корпус асинхронного генератора можно сделать закрытым и тем самым практически исключить попадание внутрь пыли и влаги.

К сожалению, асинхронники тоже не лишены недостатков. Стабильность напряжения на выходе у них обычно хуже, чем у синхронников. Да и способность к пусковым перегрузкам оставляет желать лучшего: при достижении некоторого критического значения тока в обмотках статора, ротор попросту размагничивается. Впрочем, намагнитить его несложно – достаточно подать на определенные входы указанное в инструкции напряжение.

Перечисленные «асинхронные проблемы» частично решают, оснащая станции регулятором напряжения и стартовым усилителем. Однако все эти «навороты» лишают агрегат его главного достоинства – простоты.

Синхронный генератор. Асинхронный генератор.

Сколько же в нем фаз?

Действительно, зачем нужны непонятные три фазы, когда и с одной-то не разберешься? Но в том-то и дело, что без них – никуда. Начнем с того, что трехфазная схема подключения позволяет передавать энергию трех однофазных источников всего по трем проводам (в случае однофазной схемы потребовалось бы выделить по два провода на каждый такой источник).

В итоге при равной выходной мощности трехфазный альтернатор компактнее, легче и имеет больший КПД. К тому же он более универсален – на выходе дает как бытовые 220 вольт, так и промышленные 380. Но имейте в виду: полноценно работать на однофазную нагрузку трехфазный альтернатор может только при правильном подключении.

Двигатель

Любой, даже самый распрекрасный альтернатор не выдаст и ватта мощности, если его не будет вращать двигатель. Какие они бывают и чем различаются?

Бензиновые моторы

Обычно на бензиновых электростанциях малой и средней мощности применяются карбюраторные, или, как их часто называют, бензиновые моторы (совсем правильный термин – «двигатель внутреннего сгорания с внешним смесеобразованием»).

Как явствует из названия, топливом для них служит бензин. Сгорая, он отдает часть своей энергии поршню, совершая полезную работу, а все что осталось – тратит на нагрев атмосферы и деталей мотора. Разумеется, чем больше джоулей идет в полезное дело, тем лучше.

Повышение КПД – сложная техническая задача, для решения которой прибегают к разным приемам.

Достичь качественного скачка в борьбе за снижение расхода топлива удалось при переходе к верхнеклапанной компоновке двигателя. Одна из таких схем с распределительным валом в картере и штанговым приводом получила в последние годы наибольшее распространение и обозначается OHV. Ее внедрение позволило уменьшить площадь поверхности камеры сгорания, а значит, уменьшить нагрев деталей мотора. Кроме того, появилась возможность повысить степень сжатия (с 5–6 до 7–9 единиц) при использовании бензина прежней марки, что еще больше повысило эффективность.

К сожалению, дальнейшее повышение КПД бензинового двигателя за счет увеличения степени сжатия нецелесообразно – это потребует значительного увеличения октанового числа топлива (то есть его стоимости). В противном случае горючая смесь, детонируя, будет сгорать раньше времени, толкая поршень против его движения.

Для следующего качественного шага необходимо кардинально улучшить сам процесс смесеобразования, то есть отказаться от карбюратора в пользу систем впрыска с электронным управлением. А цена самой простой из них вплотную приближается к стоимости недорогого мотора вместе с его карбюратором.

Дизельные моторы

Дизельные электростанции обладают недостижимо низким для бензинового мотора расходом топлива. У него степень сжатия ограничена, главным образом, прочностью и термостойкостью деталей поршневой и кривошипно-шатунной групп. Для нормальной работы в жестких режимах дизельные моторы приходится делать очень прочными, то есть тяжелыми. Как следствие, при высокой частоте вращения вала они изнашиваются быстрее, чем более легкие детали карбюраторного двигателя. Вышесказанное никоим образом не означает того, что дизель менее долговечен (здесь самое время вспомнить о высоком запасе прочности), а лишь поясняет причину, по которой он «предпочитает» пониженные обороты.

У такого мотора есть два серьезных недостатка: высокая стоимость и относительно большая масса. Сложность и дороговизну ремонта в расчет брать не будем – они скомпенсированы надежностью и долговечностью.

Кратко подытожить проблему выбора типа силовой установки можно так:

– Любой дизель экономичнее бензинового мотора и к своей «кончине» обычно успевает окупить разницу в цене.

– «Тихоходный» (1500 об./мин) дизель превосходит бензиновый мотор по ресурсу примерно в четыре-пять раз, а по весу – в два-три раза. «Быстроходный» (3000 об./мин) по обоим параметрам опережает карбюраторный мотор примерно в полтора раза.

– Если в конструкции не предусмотрены свечи накаливания (а они имеются, как правило, лишь на очень мощных двигателях), запустить дизель при отрицательных температурах весьма непросто.

– Зимой на дизельном моторе нужно использовать специальные сорта топлива.

Двух- и четырехтактные двигатели

Конструктивно двухтактные моторы проще и, соответственно, дешевле, легче и надежнее (иногда – еще и долговечнее) четырехтактных. Оборотная сторона медали – повышенный расход топлива и необходимость возиться с маслом (его приходится подавать вместе с бензином).

Но нет худа без добра: густеющее на морозе масло не препятствует прокрутке холодного двигателя, каждый оборот которого, кстати, приравнивается к двум «четырехтактным». Те, кто работают или живут на Севере, это прекрасно знают и предпочитают именно такие движки. Завести промерзший «четырехтактник» практически невозможно, и тут уже не до экономии...

Словарь терминов

API – свидетельство того, что уровень эксплуатационных свойств масла определен в соответствии со стандартами Американского института нефти. Первая буква индекса, следующая в аббревиатуре за API, обозначает категорию: S – для бензиновых моторов, C – для дизельных.

Бензиновые электростанции хотя легкие и с хорошим КПД, однако топливо расходуют больше, чем дизельные.

Вторая – группу качества. Самый низкий уровень – у масел с буквой «А», более высокий – «В» и т.д. Если обозначение двойное, например API SJ/CF, значит смазку можно использовать и как SJ, и как CF.

AVR – расшифровывается как Automatic Voltage Regulator. Эту систему устанавливают на синхронные альтернаторы для стабилизации выходного напряжения (обычно оно поддерживается с точностью до 5%). Для прецизионной (точной) регулировки прибегают к дополнительным электронным устройствам, которые, как правило, приобретают за отдельную плату.

SAE – означает, что класс вязкости масла определен в соответствии со стандартами Общества автомобильных инженеров США. Зимние классы обозначают в виде числа с индексом W (от winter – зима), например SAE 5W; летние – только числом, например SAE 30; а универсальные – комбинацией того и другого через дефис, например SAE 5W-30. Кстати, для двигателей, смазывающихся разбрызгиванием, вязкость особенно важна. Слишком густое масло не образует «масляного тумана», а потому не поступает на трущиеся пары.

Тепловой автомат без плавкого предохранителя – предназначен для защиты генератора от перегрузок. На сегодняшний день это самое распространенное устройство защиты электросети.

Бесщеточный генератор (brashless) – синхронный альтернатор, в конструкции которого нет щеток. Он не требует обслуживания, долговечен и при работе не создает радиопомех. Интенсивно вытесняет с рынка малой и средней по мощности техники генераторы традиционной конструкции.

Декомпрессор – при ручном запуске автоматически приоткрывает один из клапанов мотора и тем самым облегчает раскрутку вала до необходимых оборотов. Практически все четырехтактные моторы (и дизельные, и бензиновые), имеющие ручной стартер, оснащают этим устройством.

Дифференциальная защита от утечек тока – обычное УЗО, сейчас оно должно быть в любой квартире. Назначение – повышение безопасности работы с генератором. Дело в том, что виновником большинстватравм выступает ток, проходящий между фазой и землей. Пример: человек стоит на раме генератора и дотрагивается до неизолированного провода. Обычный автомат в такой ситуации не срабатывает – слишком мала нагрузка, а вот дифференциальная защита обязательно разомкнет силовую цепь.

Защита по уровню масла – предусмотрена на всех современных моторах. При снижении уровня ниже критического она отключает двигатель либо сигнализирует об этом. На моторах с масляным насосом обычно контролируется не уровень, а давление масла в рабочем контуре.

Класс защиты по DIN 40050 – немецкий стандарт, по нему оценивается защищенность альтернатора от внешних воздействий. Он обозначается двумя буквами (IP) и двумя цифрами.

Первая цифра означает:

0 – защита отсутствует;

1 – защита от посторонних предметов размером более 50 мм;

2 – защита от касания пальцами и от проникновения твердых посторонних частиц диаметром более 12 мм;

3 – защита от посторонних предметов и частиц диаметром более 2,5 мм;

4 – защита от касания инструментом, пальцами и проволокой диаметром более 1 мм, защита от проникновения твердых посторонних частиц диаметром более 1 мм;

5 – полная защита от касания вспомогательными средствами любого типа и от проникновения пыли.

Вторая цифра означает:

0 – защита отсутствует;

1 – защита от вертикально падающих капель воды;

2 – защита от капель воды, падающих под углом 15 градусов к вертикали;

3 – защита от струй воды, падающих под углом до 60 градусов к вертикали;

4 – защита от водяной пыли, распространяющейся со всех сторон;

5 – защита от струй воды, падающих со всех сторон под любым углом.

Дизельный электрогенератор экономичен и надежен, но в сильные холода может доставить много проблем из-за замерзшего топлива.

Системы повышения экономичности – экономичный режим включается либо вручную, либо автоматически при уменьшении потребляемой мощности до критического уровня. При этом мотор станции начинает работать на пониженных оборотах, что позволяет тратить существенно меньше топлива и уменьшить уровень шума.

Система стартового усиления – применяется для улучшения перегрузочной способности. В случае асинхронников, как правило, не позволяет достичь результатов, характерных для синхронников. К слову, у последних система стартового усиления чаще всего представляет собой предохранительный автомат, имеющий специальные характеристики.

Смазка под давлением – способствует долговечной работе мотора с малым износом и редким обслуживанием. Такая система при наличии фильтрует масло, а значит, продлевает срок службы смазки и улучшает стабильность ее свойств. Ее применение оправданно для дорогих двигателей с высокой мощностью и загруженностью деталей.

Топливный (топливоподкачивающий) насос – у бензиновых электростанций позволяет поместить топливный бак (или дополнительные емкости) ниже уровня карбюратора, а у дизельных – разместить баки намного ниже мотора (например, на нижнем этаже здания или вообще под землей). Выпускают насосы с механическим (их размещают непосредственно на двигателе), электрическим или пневматическим (вакуумным) приводом.

Управление воздушной заслонкой – воздушная заслонка необходима для искусственного обогащения рабочей смеси (так называют смесь воздуха и бензина, производимую карбюратором). Она способствует легкому и уверенному запуску мотора, особенно в условиях пониженных температур. Перед стартом заслонку следует закрыть, а после прогрева – открыть. Есть как простые системы с вакуумным приводом, так и более сложные с вакуумным приводом и датчиком температуры. (Если управление заслонкой ручное – без автоматики, дистанционный запуск электростанции невозможен.)

Свечи накаливания – служат для облегчения запуска дизельного мотора в условиях пониженных температур. Обычно их устанавливают на мощные двигатели (за дополнительную плату).

Справочное бюро

Какие особенности эксплуатации у дизеля? Чтобы избежать детонации и повысить степень сжатия, горючее лучше добавлять в цилиндр с воздухом не заранее, а в момент зажигания. Именно так работает дизельный мотор, в котором компрессия настолько велика, что температуры сжатого воздуха достаточно для самовозгорания горючего. Как следствие, в отдельной системе зажигания вовсе нет надобности.

Для нагнетания топлива в форсунки используют ТНВД (топливный насос высокого давления). Его конструкция не сложна, но требует очень точной обработки и подгонки деталей. В случае поломки или износа его обычно не ремонтируют, а, несмотря на высокую стоимость (до 1/3 стоимости всего мотора), заменяют целиком. Починить его в «полевых» условиях просто нереально – тривиальные случаи вроде открутившейся гайки в расчет брать не будем.

Типичными неисправностями топливной аппаратуры, поддающимися «лечению», считаются всевозможные засоры фильтров и «зависания» запорной иглы форсунок. Не сказать, чтобы легко, но при желании справиться с ними самостоятельно можно.

Почему зимой используют специальную «солярку»? В отличие от бензина дизтопливо насыщено различными примесями, большая часть которых (по массе) относится к парафинам. Летом они себя никак не проявляют, а вот зимой – при отрицательных температурах – кристаллизуются, делая жидкость более вязкой. Если их содержание велико, «солярка» превратится в «студень» или вообще в «твердое тело». А если мало, то образовавшиеся кристаллики забьют фильтр тонкой очистки топлива, даже если вязкость останется в норме.

Чтобы не попасть впросак, нужно вовремя перейти на зимние сорта горючего или воспользоваться специальными присадками. Если содержимое бака уже напоминает кусок желе, они, разумеется, не помогут, – ищите паяльную лампу. Применять такие препараты необходимо заранее (в крайнем случае – на стадии помутнения топлива).

В чем особенности двухтактного мотора? За каждый оборот коленчатого вала (иными словами, за два такта) каждый цилиндр такого двигателя успевает «переварить» порцию горючего, тогда как «четырехтактнику» для этого нужно два оборота. Следствия – меньшиепотери на трение и почти в два раза большая мощность при прочих равных условиях.

Такты выхлопа и всасывания совмещены с рабочим и заменены «продувкой». В результате поршень «недополучает» часть энергии, а горючая смесь попадает не только в цилиндр, но и в выхлопную трубу. Для «вдувания» используют пространство под поршнем, обратная сторона которого выступает в качестве поршня компрессора.

Отсюда и необходимость подавать масло вместе с топливом – ведь в картер его уже не нальешь. Исключение – двигатели с системой смазки замкнутого типа, но на малой технике их обычно не применяют.

Почему генераторы названы «синхронными» и «асинхронными»? Как известно, электромотор – обратимая машина, то есть он способен не только потреблять, но и вырабатывать электроэнергию. А значит, электродвигатель и электрогенератор – практически одно и то же (небольшие отличия лишь в конструкции). Кстати, именно от моторов альтернаторы получили свое название.

Рассмотрим три катушки индуктивности, расположенные по кругу. К каждой из них подведен переменный ток, фазы которого сдвинуты друг относительно друга на 120 градусов (именно таков угол между двумя соседними катушками). Сумма их магнитных полей образует вектор постоянной длины, вращающийся с частотой, равной частоте переменного тока текущего по обмоткам.

Если в такой статор поместить цилиндрический ротор (якорь) из токопроводящего материала, он начнет вращаться, следуя за вектором намагниченности. Чем больше разность частот вращения его и суммарного поля катушек, тем больший на него действует крутящий момент. Характер такой работы – асинхронный (скорость вращения ротора не синхронна частоте изменения поля статора). Это схема работы трехфазного электромотора (можно было рассмотреть и однофазный, но там ситуация менее наглядна).

Чтобы такой движок смог стать альтернатором (генератором переменного тока), его ротор должен быть не только проводником, но и магнитом (то есть иметь намагниченность). Конечно, функционирует он синхронно, то есть частота вырабатываемого тока в точности равна оборотам ротора, но по аналогии с мотором его называют асинхронным.

Синхронный электродвигатель устроен иначе. Ротор в этом случае является не проводником, а электромагнитом. Если к обмоткам якоря подвести ток, то он придет в движение и будет вращаться до тех пор, пока направление его магнитного момента не совпадет с направлением магнитного момента статора. Чтобы ротор продолжил вращение, надо изменить направление тока в обмотках. И так каждые пол-оборота. Получается, что частота изменения переменного магнитного поля в точности совпадает с оборотами ротора. Отсюда и название – синхронный электродвигатель. Для превращения такого мотора в альтернатор несколько изменяют его конструкцию, но принцип работы остается прежним.

Какие марки альтернаторов наиболее популярны? Основные производители альтернаторов: Generac (Англия), Leroy Somer (Франция), Mecc Alte (Италия), Metallwarenfabrik Gemmingen (Германия), Sawafuji (Япония), Sincro (Италия), Soga (Италия), Stanford (Англия), Yamaha (Япония) и др.

Самые распространенные марки моторов. Бензиновые двигатели выпускают Briggs&Stratton (США), Honda (Япония), Kubota (Япония), Lombardini (Италия), Mitsubishi (Япония), Robin (Япония), Suzuki (Япония), Tecumseh (Италия), Yamaha (Япония) и др. Найти генератор с отечественным бензиновым мотором практически невозможно.

Дизельные двигатели производят Acme (Италия), Hatz (Германия), Honda (Япония), Iveco (Италия), Kubota (Япония), Lombardini (Италия), Robin (Япония), Yamaha (Япония), Yanmar (Япония) и др. Отечественные дизели выпускают в Вятке, Туле, Челябинске, Владимире, Рыбинске и Ярославле, но устанавливают их, как правило, на мощных электростанциях.

Источник: Журналы серии «Потребитель»