Генера́тор переме́нного то́ка («альтерна́тор») — вид электрического генератора, преобразующего механическую энергию в электрическую энергию переменного тока. Большинство генераторов переменного тока использует вращающееся магнитное поле.

Принцип работы генератора заключается в преобразовании механической энергии в электрическую путём вращения проволочной катушки в магнитном поле. Электрический ток вырабатывается также и тогда, когда силовые линии движущегося магнита пересекают витки проволочной катушки. Электроны перемещаются по направлению к положительному полюсу магнита, а электрический ток течёт от положительного полюса к отрицательному. До тех пор, пока силовые линии магнитного поля пересекают катушку (проводник), в проводнике индуцируется электрический ток. Аналогичный принцип работает и при перемещении проволочной рамки относительно магнита, то есть когда рамка пересекает силовые линии магнитного поля. Индуцированный электрический ток течёт таким образом, что поле этого тока отталкивает магнит, когда рамка приближается к нему, и притягивает, когда рамка удаляется. Каждый раз, когда рамка изменяет ориентацию относительно полюсов магнита, электрический ток также изменяет своё направление на противоположное. Всё то время, пока источник механической энергии вращает проводник (или магнитное поле), генератор будет вырабатывать переменный электрический ток.

История

Электрические машины, генерирующие переменный ток, были известны в простом виде со времён открытия магнитной индукции электрического тока. Ранние машины были разработаны Майклом Фарадеем и Ипполитом Пикси.

Фарадей разработал «вращающийся прямоугольник», действие которого было многополярным — каждый активный проводник пропускался последовательно через область, где магнитное поле было в противоположных направлениях. Первая публичная демонстрация наиболее сильной «альтернаторной системы» имела место в 1886 году. Большой двухфазный генератор переменного тока был построен британским электриком () в 1882 году. Лорд Кельвин и () также разработали ранний альтернатор, производивший переменный ток частотой между 100 и 300 герц. В 1891 году Никола Тесла запатентовал практический «высокочастотный» альтернатор (который действовал на частоте около 15 000 Герц). После 1891 года были изобретены многофазные альтернаторы. Генератор трёхфазного тока с трёхпроводной нагрузкой разработал и продемонстрировал русский инженер Михаил Доливо-Добровольский, работавший главным инженером берлинской компании AEG. В 1893 году продемонстрированное им изобретение было использовано А. Н. Щенсновичем при строительстве первой промышленной трёхфазной электростанции в составе Новороссийского зернового элеватора Электростанция предназначалась для обеспечения питания электродвигателей механизмов элеватора, … . Руководил строительством А. Н. Щенснович, использовавший изобретение И. О. Доливо-Добровольского. Чертежи для станции выполнила швейцарская фирма «», а все основное электрооборудование было изготовлено на месте в механических мастерских элеватора, в том числе обмотка и сборка электродвигателей..

Теория генератора переменного тока

Принцип действия генератора основан на законе электромагнитной индукции — индуцирование электродвижущей силы в прямоугольном контуре (проволочной рамке), находящейся в однородном вращающемся магнитном поле. Или наоборот, прямоугольный контур вращается в однородном неподвижном магнитном поле.

Допустим, что однородное магнитное поле, создаваемое постоянным магнитом, вращается вокруг своей оси в проводящем контуре (проволочной рамке) с равномерной угловой скоростью . Две равные порознь вертикальные стороны контура (см. рисунок) являются активными, так как их пересекают магнитные линии магнитного поля. Две равные порознь горизонтальные стороны контура — не активные, так как магнитные линии магнитного поля их не пересекают, магнитные линии скользят вдоль горизонтальных сторон, электродвижущая сила в них не образуется.

В каждой из активных сторон контура индуктируется электродвижущая сила, величина которой определяется по формуле:

и ,

где

и  — мгновенные значения электродвижущих сил, индуктированных в активных сторонах контура, в вольтах;

 — магнитная индукция магнитного поля в вольт-секундах на квадратный метр (Тл, Тесла);

 — длина каждой из активных сторон контура в метрах;

 — линейная скорость, с которой вращаются активные стороны контура, в метрах в секунду;

 — время в секундах;

и  — углы, под которыми магнитные линии пересекают активные стороны контура.

Так как электродвижущие силы, индуктированные в активных сторонах контура, действуют согласно друг с другом, то результирующая электродвижущая сила, индуктируемая в контуре,

будет равна , то есть индуктированная электродвижущая сила в контуре изменяется по синусоидальному закону.

Если в контуре вращается однородное магнитное поле с равномерной угловой скоростью, то в нём индуктируется синусоидальная электродвижущая сила.

Можно преобразовать формулу , выразив её через максимальный магнитный поток , пронизывающий контур.

Относительная линейная скорость активных сторон равна произведению радиуса вращения на угловую скорость , то есть .

Тогда получим ,

где

 — амплитуда синусоидальной электродвижущей силы;

 — фаза синусоидальной электродвижущей силы;

 — угловая скорость синусоидальной электродвижущей силы, в данном случае равная угловой скорости вращения магнита в контуре.

С учётом того, что контур состоит из многих витков провода, электродвижущая сила пропорциональна количеству витков и формула будет выглядеть так: .

Если ввести в формулу максимальный магнитный поток, тогда .

Устройство генератора переменного тока

По конструкции можно выделить: генераторы с неподвижными магнитными полюсами и вращающимся якорем; генераторы с вращающимися магнитными полюсами и неподвижным статором. Последние получили большее распространение, так как благодаря неподвижности статорной обмотки отпадает необходимость снимать с ротора большой ток высокого напряжения с использованием скользящих контактов (щёток) и контактных колец.

Подвижная часть генератора называется ротор, а неподвижная — статор.

Статор собирается из отдельных железных листов, изолированных друг от друга. На внутренней поверхности статора имеются пазы, куда вкладываются провода статорной обмотки генератора.

Ротор изготавливается, обычно, из сплошного железа, полюсные наконечники магнитных полюсов ротора собираются из листового железа. При вращении между статором и полюсными наконечниками ротора присутствует минимальный зазор, для создания максимально возможной магнитной индукции. Геометрическая форма полюсных наконечников подбирается такой, чтобы вырабатываемый генератором ток был наиболее близок к синусоидальному.

На сердечники полюсов посажены катушки возбуждения, питаемые постоянным током. Постоянный ток подводится с помощью щёток к контактным кольцам, расположенным на валу генератора.

По способу возбуждения генераторы переменного тока делятся на: генераторы, обмотки возбуждения которых питаются постоянным током от постороннего источника электрической энергии, например от аккумуляторной батареи (генераторы с независимым возбуждением). генераторы, обмотки возбуждения которых питаются от постороннего генератора постоянного тока малой мощности (возбудителя), сидящего на одном валу с обслуживаемым им генератором. генераторы, обмотки возбуждения которых питаются выпрямленным током самих же генераторов (генераторы с самовозбуждением). См также бесщёточный синхронный генератор. генераторы с возбуждением от постоянных магнитов.

Конструктивно можно выделить: генераторы с явно выраженными полюсами; генераторы с неявно выраженными полюсами.

По количеству фаз можно выделить: Однофазные генераторы. См. также конденсаторный двигатель, однофазный двигатель. Двухфазные генераторы. См. также двухфазная электрическая сеть, двухфазный двигатель. Трёхфазные генераторы. См. также трёхфазная система электроснабжения, трёхфазный двигатель.

По соединению фазных обмоток трёхфазного генератора: шестипроводная система Тесла (практического значения не имеет); соединение «звездой»; соединение «треугольником»; соединение шести обмоток в виде одной «звезды» и одного «треугольника» на одном статоре.

Наиболее распространено соединение «звездой» с нейтральным проводом (четырёхпроводная схема), позволяющее легко компенсировать фазовые перекосы и исключающее появление постоянной составляющей и паразитных кольцевых токов в обмотках генератора, приводящих к потерям энергии и перегреву.

Так как на практике в электросетях с множеством мелких потребителей нагрузка на разные фазы не является симметричной (подключается разная электрическая мощность, или например, активная нагрузка на одной фазе, а на другой индуктивная или ёмкостная), то при соединении «треугольником» или «звездой» без нейтрального провода можно получить такое неприятное явление как «перекос фаз», например, лампы накаливания, подключённые к одной из фаз, слабо светятся, а на другие фазы подаётся чрезмерно большое электрическое напряжение и включённые приборы «сгорают».

Частота переменного тока, вырабатываемого генератором Данные генераторы являются синхронными, то есть угловая скорость (число оборотов) вращающегося магнитного поля линейно зависит от угловой скорости (числа оборотов) ротора генератора и асинхронными, в которых имеется скольжение, то есть, отставание магнитного поля статора от угловой скорости ротора. Ввиду некоторой громоздкости регулирования асинхронные генераторы получили небольшое распространение.

Если ротор генератора двухполюсный, то за один его полный оборот индуктированная электродвижущая сила совершит полный цикл своих изменений.

Следовательно, частота электродвижущей силы синхронного генератора будет: ,

где

 — частота в герцах;

 — число оборотов ротора в минуту.

Если генератор имеет число пар полюсов , то соответственно этому частота электродвижущей силы такого генератора будет

в раз больше частоты электродвижущей силы двухполюсного генератора: .

Частота переменного тока в электрических сетях должна строго соблюдаться, в России и других странах она составляет 50 периодов в секунду (герц). В ряде стран, например в США, Канаде, Японии, в электрическую сеть подаётся переменный ток с частотой 60 герц. Переменный ток с частотой 400 герц применяется в бортовой сети самолётов. В таблице показана зависимость частоты генерированного переменного тока от количества магнитных полюсов и числа оборотов генератора Данный фактор следует учитывать при конструировании генераторов.

Число полюсов Число оборотов ротора для частоты 50 герц,в 1 минуту Число оборотов ротора для частоты 60 герц,в 1 минуту Число оборотов ротора для частоты 400 герц,в 1 минуту 2 3000 3600 24 000 4 1500 1800 12 000 6 1000 1200 8000 8 750 900 6000 10 600 720 4800 12 500 600 4000 14 428,6 514,3 3429 16 375 450 3000 18 333,3 400 2667 20 300 360 2400 40 150 180 1200 Например, паровая турбина оптимально работает при 3000 оборотов в минуту, число полюсов генератора равняется двум.

Например, для дизельного двигателя, применяемого на дизельных электростанциях, оптимальный режим работы 750 оборотов в минуту, тогда генератор должен иметь 8 полюсов.

Например, массивные и тихоходные гидравлические турбины на крупных гидроэлектростанциях вращаются со скоростью 150 оборотов в минуту, тогда генератор должен иметь 40 полюсов. Данные примеры приведены для частоты переменного тока 50 герц.

Параметры синхронного генератора Основными величинами, характеризующими синхронный генератор, являются: электрическое напряжение на зажимах , вольт; сила тока , ампер; полная мощность[вольт-ампер] активная мощность , ватт; число оборотов ротора в минуту ; коэффициент мощности (косинус «фи»). тип возбуждения обмотки Характеристика холостого хода генератора Электродвижущая сила генератора переменного тока пропорциональна величине магнитного потока и числу оборотов ротора генератора в минуту: