Альтернатор генератора: что это такое и как он устроен

Альтернатор — это электрическая часть электростанции: та машина, которая превращает механическое вращение вала двигателя в переменный ток. Название пришло от английского alternating current — «переменный ток». В бензиновой или дизельной станции двигатель только крутит вал, а напряжение 230 или 400 В частотой 50 Гц вырабатывает именно альтернатор. Почти все альтернаторы электростанций — синхронные генераторы: частота тока у них жёстко связана с оборотами ротора. Поэтому в каталогах слова «альтернатор», «синхронный генератор» и «генераторная часть» обычно означают одно и то же.

Что такое альтернатор простыми словами

Любая электростанция — это две машины на одном валу. Первая — двигатель внутреннего сгорания: бензиновый, дизельный или газовый. Вторая — электрический генератор, который и называют альтернатором. Двигатель отвечает за мощность на валу и за обороты, альтернатор — за то, каким получится ток: напряжение, частота, число фаз, форма синусоиды.

Разделение важно практически. Если станция работает, но не даёт тока, двигатель может быть совершенно исправен — проблема в альтернаторе или его регуляторе. И наоборот: у крупных дизельных станций изношенный альтернатор меняют отдельно, не трогая двигатель. Такие альтернаторы продаются как самостоятельные изделия — например, в нашем разделе синхронные генераторы.

Слово «альтернатор» в автомобильной тематике означает автомобильный генератор, который заряжает аккумулятор. Это родственная машина — тоже синхронный генератор переменного тока, только со встроенным выпрямителем. В этой статье речь об альтернаторах электростанций.

Как устроен альтернатор: статор, ротор, возбуждение

В основе — закон электромагнитной индукции: если магнитное поле движется относительно проводника, в проводнике наводится напряжение. Альтернатор организует это движение так:

• Статор — неподвижный корпус с пакетом стальных пластин, в пазах которого уложены рабочие обмотки. С них и снимается выходной ток. У однофазной машины одна рабочая обмотка, у трёхфазной — три, сдвинутые по окружности.
• Ротор — вращающаяся часть на валу двигателя. На нём полюса с обмоткой возбуждения: когда по ней течёт постоянный ток, ротор становится электромагнитом. Вращаясь, его поле пересекает обмотки статора и наводит в них переменное напряжение.
• Система возбуждения — то, что подаёт на ротор постоянный ток. В первые мгновения после пуска генератор возбуждается от остаточной намагниченности стали ротора, затем ток возбуждения берётся от самой машины.
• Регулятор напряжения (AVR) — электронный блок, который постоянно измеряет выходное напряжение и меняет ток возбуждения: нагрузка выросла, напряжение просело — регулятор усиливает поле ротора. Паспортная точность регулировки у промышленных альтернаторов каталога — плюс-минус 0,5–1 %.
• Подшипники, вентилятор, корпус. Одноопорный альтернатор имеет один подшипник, а вторым концом вала крепится к маховику двигателя через диски и фланец стандарта SAE. Двухопорный опирается на свои два подшипника и соединяется с двигателем муфтой. Вентилятор на валу продувает машину воздухом.

Частота тока синхронного генератора зависит от оборотов и числа пар полюсов: n = 60 × f / p, где n — обороты в минуту, f — частота, p — число пар полюсов. Для 50 Гц двухполюсная машина (одна пара полюсов) должна вращаться с частотой 3000 об/мин, четырёхполюсная — 1500 об/мин. Так и выходит в каталоге: у бензиновых станций вроде TSS SGG 8000EHNA коленвал крутится на 3000 об/мин, а промышленные альтернаторы TSS-SA рассчитаны на 1500 об/мин под дизели крупных станций. Именно поэтому при просевших оборотах двигателя уходит не только напряжение, но и частота.

Синхронный и асинхронный генератор: в чём разница

Синхронный генератор — машина, у которой ротор вращается строго синхронно с магнитным полем статора, а поле ротора создаётся возбуждением. Асинхронный генератор устроен как обычный асинхронный электродвигатель: короткозамкнутый ротор без обмотки возбуждения, а магнитное поле создаётся за счёт реактивного тока — от конденсаторов или от сети.

Для дома, стройки и объекта с насосами, компрессорами и холодильниками нужен синхронный генератор: именно при пусках электродвигателей асинхронная машина показывает свои слабости. Асинхронные генераторы применяют там, где нагрузка простая и постоянная, а важны простота и защищённость конструкции. Как пусковые токи влияют на подбор мощности, разобрано в статье пусковые токи и выбор генератора.

Щёточный и бесщёточный альтернатор

Ток возбуждения нужно как-то передать на вращающийся ротор. Способов два.

Щёточный. На валу ротора стоят контактные кольца, а к ним прижимаются неподвижные угольные щётки. Через этот скользящий контакт регулятор подаёт ток в обмотку ротора. Схема простая и дешёвая, её часто применяют в компактных станциях. Минусы — щётки изнашиваются, пылят и искрят, контакт колец окисляется. Щётки — расходник, их меняют по износу.

Бесщёточный. На одном валу с основным генератором стоит маленький генератор-возбудитель и вращающийся диодный мост. Возбудитель вырабатывает переменный ток прямо на роторе, диоды выпрямляют его и подают в обмотку ротора основной машины — скользящих контактов нет вовсе. Такие альтернаторы надёжнее при долгой работе, не боятся пыли и не требуют обслуживания щёточного узла. В карточках промышленных альтернаторов каталога — TSS-SA, Mecc Alte, Engga и других — в строке «Тип генератора» почти везде стоит «бесщёточный, синхронный».

Питание самого возбуждения бывает разным, и это видно в паспорте:

• SHUNT — возбуждение питается от основной обмотки статора. Самая распространённая схема, например у TSS-SA-10(B), TSS-SA-20(B), TSS-SA-50(B).
• AUX или MAUX — отдельная вспомогательная обмотка в статоре, возбуждение меньше зависит от просадки основного напряжения. Такая схема у Mecc Alte ECP32-1S.
• PMG — отдельный возбудитель на постоянных магнитах. Даёт возбуждение, которое не зависит от нагрузки, и лучше держит пуск мощных двигателей. В каталоге есть системы PMG для установки на альтернаторы определённых габаритов.

Медная или алюминиевая обмотка

Обмотки статора и ротора делают из меди или из алюминия, и это заметно влияет на поведение машины.

• Медь проводит ток примерно в 1,6 раза лучше алюминия. При одинаковом сечении медная обмотка меньше греется, лучше переносит перегрузки и пусковые токи, а при поломке её можно перемотать. Минус — цена и масса.
• Алюминий дешевле и легче, но при той же мощности обмотка должна быть толще, а нагрев выше. Места соединений окисляются, ремонт сложнее.

Материал обмотки обычно указан в паспорте. У всех бензиновых и инверторных станций TSS в каталоге в строке «Материал обмоток альтернатора» стоит медь. Выбрать модель с медной обмоткой можно в разделе бензогенераторы с медной обмоткой.

Альтернатор в бензиновых, инверторных и дизельных станциях

Бензиновая станция. Альтернатор обычно двухполюсный на 3000 об/мин и одноопорный: ротор одним концом сидит прямо на коленвале двигателя, другим — на собственном подшипнике в задней крышке. Напряжение держит AVR — у станций каталога в строке «Регулятор напряжения» так и указано. В самых дешёвых станциях на рынке встречается и конденсаторная схема без электронного регулятора; напряжение у неё менее стабильно.

Инверторная станция. Здесь альтернатор многополюсный, на постоянных магнитах. Он выдаёт переменный ток повышенной частоты, который электроника выпрямляет и заново превращает в чистые 230 В 50 Гц. Поэтому двигатель может менять обороты под нагрузку, а частота на выходе от этого не зависит. В карточках инверторных станций в строке «Регулятор напряжения» стоит «инверторный». Подробнее — в статье чем отличается инверторный генератор.

Дизельная станция. У портативных дизельных станций устройство похоже на бензиновые. У стационарных — отдельный альтернатор на 1500 об/мин, обычно трёхфазный 400/230 В, бесщёточный, с AVR и классом изоляции H, соединённый с дизелем через фланец и диски SAE. Его можно заменить без замены двигателя.

Паспорт альтернатора: что означают строки

Разобраться в карточке альтернатора проще на примерах из каталога:

Что ещё встречается в паспорте:

• Коэффициент мощности 0,8 у трёхфазных машин означает, что полная мощность в кВА в 1,25 раза больше активной в кВт. У однофазного TSS-SA-12(B) он равен единице.
• Степень изоляции H — класс нагревостойкости изоляции обмоток, допускающий до 180 °C.
• Класс защиты IP21 или IP23 — защита от попадания пальцев и капель воды; для работы под открытым небом альтернатор нужно укрыть кожухом.
• Число опорных подшипников и SAE-фланец и диск определяют, подойдёт ли альтернатор к конкретному двигателю.

Как подобрать альтернатор на замену для дизельной станции, разобрано отдельно в статье синхронный генератор для ДЭС: как выбрать.

Альтернаторы, PMG и регулятор напряжения из каталога

Нет фото

Арт. 040471В наличии

TSS-SA-12(B)1ф. SAE 4/7,5

71 318 ₽78 372 ₽−9%/шт.

В корзину

Арт. 024486В наличии

TSS-SA-20(B) SAE 3/11,5

89 977 ₽98 876 ₽−9%/шт.

В корзину

Арт. 032918В наличии

Mecc Alte ECP32-1S SAE 3/11,5 (30 кВт)

265 702 ₽291 981 ₽−9%/шт.

В корзину

Нет фото

Арт. 009643В наличии

Система возбуждения PMG для 318-го габарита

29 769 ₽32 713 ₽−9%/шт.

В корзину

Арт. 490316В наличии

Регулятор напряжения GAVR-8A/ GAVR-8A AVR

2 629 ₽2 889 ₽−9%/шт.

В корзину

Признаки неисправности альтернатора

• Двигатель работает, напряжения нет. Возможные причины: сработал автомат, отказал регулятор, изношены щётки, пропала остаточная намагниченность ротора после долгого хранения, пробиты диоды возбудителя. Порядок проверки — в статье генератор не выдаёт напряжение.
• Напряжение скачет, занижено или завышено. Чаще всего виноват регулятор напряжения или нестабильные обороты двигателя. Как отличить одно от другого и подобрать регулятор — в статье регулятор напряжения генератора.
• Перегрев и запах горелой изоляции. Перегрузка, забитые воздушные каналы, межвитковое замыкание в обмотке.
• Гул, вибрация, стук. Износ подшипника или нарушение соосности с двигателем.

Если причину не удаётся найти самостоятельно, станцию можно привезти на диагностику: проверка генераторной части — стандартная часть этой работы.