О генераторах

При выборе генератора каждый руководствуется своими личными предпочтениями. Кому-то нужна мобильность и малый вес, другому важна возможность автоматизации и длительной работы, а иной обладатель электростанции хочет и то и другое сразу, да еще, чтобы дешево. Но в любом случае, приходиться, так или иначе, решать задачу выбора агрегата соответствующей мощности. Для начала попробуем выяснить, что же это такое — «мощность электрического тока».

Как рассчитать мощность генератора на примере приборов?

Возьмем, к примеру, 2-киловаттный обогреватель, 1-киловаттный пылесос и 300-ваттный морозильник. Что объединяет столь разные нагрузки? Оказывается, чтобы «запитать» каждую из них, необходим генератор мощностью как минимум 3кВт или кВА.
Возникает два резонных вопроса. Первый: почему одна и та же величина (мощность) указывается в разных единицах измерения (соответственно кВт и кВА). И второй: почему потребителей электрической энергии (у нас это обогреватель, пылесос и морозильник), нельзя «стричь под одну гребенку»?

Многие производители в каталогах приводят так называемую максимальную выходную мощность. Имейте в виду: этот параметр предусматривает кратковременную работу агрегата (в зависимости от фирмы интервал колеблется от нескольких секунд до нескольких минут). Реальная номинальная мощность обычно на несколько (иногда на десятки) процентов ниже.

Что такое коэффициент мощности cos фи?

Допустим, электростанция вырабатывает 3 кВА и имеет коэффициент мощности (так называемый cos (фи) 0,8. В этом случае мы можем реально получить от нее лишь 3 кВА х 0,8 = 2,4 кВт. Здесь и кроется разница между кВт и КВА.
Некоторые производители и продавцы по-разному указывают одно и то же значение мощности. Например, приводят сразу две величины (3000 ВА при cos (фи) =0,8 и 2400 ВА при cos (фи) =1) либо только одну (2400 ВА при cos (фи) =1), избавляя покупателя от необходимости самостоятельно выполнять арифметические вычисления. К сожалению, некоторые продавцы не указывают cos (фи) по другим причинам, стараясь выдать электростанцию за более мощную.

Какие бывают нагрузки (активные и реактивные)?

Теперь ответим на второй вопрос. Начнем с пылесоса: почему применительно к нему нельзя полностью реализовать мощность генератора?
Немного «ликбеза»: активные (омические — нагревательные) нагрузки — т. е., у которых вся потребляемая энергия преобразуется в тепло. Примеры: лампы накаливания, обогреватели, электроплиты, утюги и т. п.

Все остальные нагрузки — реактивные. Они, в свою очередь, подразделяются на индуктивные и емкостные. Простейший пример первых — катушка, вторых — конденсатор. У реактивных потребителей энергия превращается не только в тепло — часть ее расходуется на другие цели, например, на образование электромагнитных полей.
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 приходиться применять еще один — поправочный — коэффициент мощности, характеризующий теперь уже потребителя энергии.
С учетом сказанного посчитаем, пылесос какой мощности сможет «запитать» электростанция. Притом, что для типичного пылесоса cos (фи) составляет где-то 0,5. Итак: 3 кВА х 0,8 х 0,5 = 1,2 кВт.
Обогреватель реактивностью не обладает (cos (фи) = 1), поэтому станции вполне «по зубам» прибор мощностью 3 кВА х 0,8 х 1 = 2,4 кВт.

Высокие пусковые перегрузки

А как быть с морозильной камерой? Почему для работы ее мотора необходим такой колоссальный запас мощности? Оказывается, что в момент включения двигатель морозилки потребляет намного больше энергии, чем в процессе работы. Во-первых, он должен выйти на рабочие обороты, а во-вторых, сразу приступить к перекачке хладагента. И если вентилятор пылесоса можно сравнить с лодкой на воде, то компрессор морозильника — с той же лодкой на суше: в первом случае сопротивление движению при разгоне плавно нарастает, а во втором максимально велико с самого начала.
А что будет, если, не взирая на расчеты и рекомендации, подключить 300-ваттный холодильник к станции мощностью 1 кВА? Ситуация может развиваться по-разному. Если генератор не оборудован специальными системами, повышающими пусковые токи, то он попросту отключится (сработает предохранительный автомат). Чтобы этого не происходило, некоторые горе-умельцы «модернизируют» электростанцию, отключая или блокируя вышеупомянутое устройство. После такой переделки обязательно что-нибудь «сгорает»: или сам агрегат, или электромотор, так и не сумевший выйти на рабочие обороты.

Кстати, с точки зрения пусковых токов один из самых «страшных» приборов — погружной насос, у которого в момент старта потребление может подскочить в 7-9 раз. Это и понятно: в отличие, скажем от дрели, у помпы отсутствует холостой ход — ей сразу приходиться начинать качать воду.
В некоторых асинхронных генераторах применяется стартовое усиление для поддержки больших пусковых токов. Если потребляемый от генератора ток превысит определенную величину, (устанавливаемую для каждой модели генератора), то специальное устройство подключает к конденсаторам основного возбуждения дополнительно еще один или несколько конденсаторов. Тем самым мощность генератора существенно возрастет и будет скомпенсировано падение напряжения, вызванное высокой нагрузкой. Для того, чтобы не повредить обмотки генератора из-за перегрева, дополнительное возбуждение отключается с помощью специальной электроники примерно через 8 секунд. Этого времени, с одной стороны, вполне достаточно для пуска электродвигателя, а с другой — генератор не успевает перегреться. Стартовое усиление нельзя применять только в том случае, если от генератора питается сварочный аппарат. Вследствие того, что при сварке скачки тока возникают в каждом случае зажигания дуги, описанное устройство будет постоянно включаться, увеличивая ток возбуждения генератора, что, с течением времени, приведет к повреждению защиты или обмотки. Для пользователей, которые планируют использовать электростанцию для сварки, в генераторах может быть предусмотрено отключение стартового усиления.
Последнее замечание к нашим примерам: соединительные провода тоже имеют сопротивление, а значит, они являются потребителями электроэнергии. Об этом нельзя забывать при расчете мощности.

Электрогенератор (генератор тока на электростанции)

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

Типы генераторов: 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 примеры.

Так, у синхронного генератора (IP23) 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 исполняет простейшая электрическая схема с обратной связью по току и напряжению. Благодаря этому способность синхронного альтернатора «проглатывать» кратковременные перегрузки высока и ограничена лишь омическим (активным) сопротивлением его обмоток, т. е. легче переносят пусковые нагрузки.

Синхронный:

Из графиков пусковых токов при запуске асинхронного двигателя с помощью двух различных типов ГУ видно, как не устойчиво и долго асинхронная ГУ пускает двигатель и как быстро с этим справляется синхронный генератор. А частые включения потребителей с электродвигателями приводят к перегреву обмоток асинхронного генератора и в итоге к быстрому выходу из строя, так как система охлаждения синхронных генераторов значительно эффективней, чем у асинхронных. Синхронные генераторы значительно лучше работают со сварочными аппаратами,
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, становиться источником радиопомех.
Современные синхронные генераторы ведущих производителей (в том числе SDMO) снабжены бесщеточными системами возбуждения тока на катушках ротора (их еще называют brash-less). Они лишены вышеуказанных недостатков связанных с щеточным узлом, а потому предпочтительнее. Генераторы синхронного типа устанавливаются на все большие (стационарные) станции и на большинство портативных.

Асинхронный:

Асинхронный генератор (IP54) вообще не имеет обмоток на роторе. Для возбуждения ЭДС в его выходной цепи используют остаточную намагниченность якоря. Конструктивно такой альтернатор намного проще. Кроме того, поскольку обмотки ротора охлаждать не нужно (их просто нет), корпус асинхронного генератора полностью закрыт, что позволяет исключить попадание пыли и влаги. К сожалению асинхронники тоже не лишены недостатков. Способность «проглатывать» пусковые перегрузки гораздо ниже, чем у синхронных генераторов.

Сколько же фазный генератор выбрать?

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 трех фазная 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 вольт.
Одно- или трехфазные генераторы. Их название вытекает из назначения — питать соответствующих потребителей. При этом к однофазным генераторам, вырабатывающим переменный ток напряжением 220 вольт и частотой 50Гц, можно подключать только однофазные нагрузки, тогда, как к трех фазным (380/220 В, 50Гц) — и те, и другие (на приборной панели имеют соответствующие розетки, количество которых у агрегатов разных производителей разное).
С однофазными альтернаторами все более или менее ясно: главное — правильно «посчитать» всех своих потребителей, учесть возможные проблемы (например, высокие пусковые точки) и выбрать агрегат с соответствующей реальной выходной мощностью. При подключении к трехфазным генераторам трехфазных же нагрузок ситуация аналогичная.
А вот при подключении к трехфазникам однофазных потребителей возникает проблема, именуемая перекосом фаз.

Что такое перекос фаз?

При подключении нагрузки на одну фазу трехфазного альтернатора используется только одна обмотка статора, в то время как в нормальном режиме задействованы все три, соответственно, реально снять получиться не более чем 33% трехфазной мощности для синхронных IP23, или порядка 70-80% для асинхронных IP54 и синхронных IP54. Если попробовать нагрузить агрегат сильнее, статорная обмотка окажется перегруженной и может «сгореть».
Другое дело, когда генератор сделан с «запасом». Например, когда при работе на три фазы его обмотки трудятся в треть силы. Тогда не равномерность распределения нагрузки (это и есть так называемый «перескок фаз») может составить хоть все 100%. В любом случае, не зависимо от предельных возможностей электростанции, нагрузку следует распределять равномерно — это увеличит КПД альтернатора и снизит нагрев у статорных обмоток.

Двигатели генераторов и электростанций

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

Генератор с бензиновым мотором

Обычно на станциях малой и средней мощности применяются карбюраторные, или, как их еще 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 снижением расхода топлива удалось при переходе к верхнеклапанной компоновке двигателя (Kohler, Honda, Robin-Subaru, B&S и т. п. ). Одна из таких схем с распределительным валом в картере и штанговым приводом получила в последние годы наибольшее распространение и обозначается «OHV» (см. рис. ниже).

Ее внедрение позволило уменьшить площадь поверхности камеры сгорания, а следовательно, уменьшить нагрев деталей мотора. Кроме того, появилась возможность повысить степень сжатия (с 5-6 до 7-9 единиц) при использовании бензина прежней марки, что привело к еще большему проявлению эффективности.
К сожалению, дальнейшее повышение КПД бензинового двигателя за счет увеличения степени сжатия не целесообразно — это потребует значительного увеличения октанового числа топлива (а значит, и его стоимости). В противном случае горючая смесь, детонировав, 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.

Генератор с дизельным мотором

Дизель обладает недостижимо низким для бензинового мотора расходом топлива. У него степень сжатия ограничена, главным образом, прочностью и термостойкостью деталей поршневой и кривошипной-шатунной группы. Для нормальной работы в жестких режимах их приходиться делать очень прочными, т. е. тяжелыми. Как следствие, при высоких оборотах вала они изнашиваются быстрее, чем более легкие детали карбюраторного двигателя. Вышесказанное ни коем 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, общее сравнение бензиновых и дизельных генераторов:
– Если аварийный режим — бензиновый, если продолжительная работа — дизельный.
– Бензиновый — дешевле, дизельный — дороже.
– Дизель экономичнее бензинового мотора за счет этого окупает разницу в цене (при продолжительной работе).
– Дизельный 1500 об/мин (жидкостное охлаждение) превосходит бензиновый мотор по ресурсу примерно в 5-6 раз, дизельный 3000 об/мин (воздушное охлаждение) по ресурсу превосходит примерно в 3-4 раза (в данном случае применимо к дизельным двигателям фирм Robin-Subaru, Hatz, Kohler, Yanmar, Lombardini)
– Уровень шума: бензиновый 55-72 дБ, дизельный 80-110 дБ.
– При постоянной работе допустимая минимальная нагрузка «кВт»: бензиновый — 10%, дизельный — 40%.

Кратко подытожить выбор типа генератора можно так:
Предварительно Вы должны сами определить, какие потребители будут подключаться одновременно к генератору. При подсчете — лучше (по возможности) проверить мощность потребителей по их паспортным данным, если это не возможно, то лучше обратится к квалифицированным специалистам, электрикам.
Обратите особое внимание на потребителей, имеющих в своем составе электромоторы: холодильники, насосы, газонокосилки и т. д. Это связано с тем, что для пуска электромотора требуется мощность в 3 — 3,5 раза превышающая его номинальную мощность. Приведенные цифры характерны для большинства бытовых приборов. (В некоторых случаях может потребоваться существенно большая мощность и редких случаях меньшая). Для подсчета возьмите утроенное значение номинальной мощности электроприбора с наибольшим электромотором, прибавьте к ней номинальные значения мощностей других приборов, содержащих электромоторы, если уверенны что они не будут включаться одновременно, и прибавьте к сумме мощности всех остальных активных потребителей (освещение, электроплита, бойлер и т. д. ), которые будут работать совместно с первыми. Полученную мощность увеличьте на 10% — это и будет мощность необходимого Вам генератора.
После чего Вам останется решить для какого типа работ Вы собираетесь использовать генератор — постоянная или аварийная, и соответственно выбрать дизельный или бензиновый генератор.
Почему зимой используют специальную солярку?
В отличие от бензина дизтопливо «насыщено» различными примесями, большая часть которых (по массе) относится к парафинам. Летом они себя не как 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.

Словарь терминов

Класс защиты IP (по DIN 40050) — европейский стандарт, по которому оценивается защищенность альтернатора от внешних воздействий. Он обозначается двумя буквами (IP) и двумя цифрами.
Защита по уровню масла — предусмотрена на всех современных моторах. При снижении уровня ниже критического она отключает двигатель либо сигнализирует об этом. На моторах, оснащенных масленым насосом, как правило, контролируется не уровень, а давление масла в рабочем контуре.
Системы повышения экономичности — Ими оснащены в основном современные агрегаты. Имеющие электронную систему управления. Экономичный режим включается либо в ручную, либо автоматически при уменьшении потребляемой мощности до критического уровня. При этом мотор станции начинает работать на пониженных оборотах, что позволяет тратить меньше топлива (до 30% при работе с частыми перерывами), повысить моторесурс и уменьшить уровень шума.
Топливный (топливоподкачивающий) насос — у бензиновых электростанций позволяет поместить топливный бак (или дополнительные емкости) ниже уровня карбюратора, а у дизельных разместить баки на много ниже мотора (например, на нижнем этаже здания или вообще под землей). Выпускают насосы с механическим (их размещают непосредственно на двигателе), электрическим или пневмоническим (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.