Генератор для катера и яхты
Генераторные установки долгое время были единственным источником переменного напряжения на борту катера или яхты вдали от берега. Недорогие, надежные и эффективные инверторы изменили ситуацию. При нагрузке до 2 кВт, стоимость энергии, производимой аккумулятором, инвертором и устройством зарядки часто оказывается вдвое ниже, чем у самого экономичного генератора. Однако для нагрузок, превышающих 2000 Вт, дизельный или бензиновый генератор по-прежнему не заменимы
Морские генераторы
Домашний комфорт на катере или яхте требует больших затрат энергии. Электрическая плита, микроволновая печь, водонагреватель или морозильная камера потребляют слишком большую мощность. Подключать такие устройства к аккумуляторным батареям через инвертор не выгодно. Для них необходим другой независимый источник переменного напряжения. Без генераторной установки на борту в данном случае не обойтись.
Чтобы все устанавливаемое оборудование работало нормально, напряжение в бортовой электрической сети ничем не должно отличаться от напряжения в городской квартире — частота и амплитуда у них должны быть одинаковыми.
Частота напряжения зависит от скорости вращения ротора генератора и количества полюсов магнитного поля. Поскольку при частоте 50 Гц, полярность выходного напряжения меняется с положительной на отрицательную 50 раз в секунду, или 3000 раз в минуту, то ротор генератора с двумя магнитными полюсами должен делать 3000 об/мин. Если на роторе размещено две пары полюсов, то скорость вращения снижается до 1500 об/мин. В обоих случаях, чтобы поддерживать частоту напряжения постоянной, вал двигателя, приводящего в движение генератор, должен вращаться с фиксированной скоростью независимо от нагрузки в электрической сети.
Чтобы снизить шум, вибрацию или увеличить эффективность генераторной установки производители иногда устанавливают после двигателя редуктор или ременную передачу и изменяют количество оборотов вала. Но полностью сделать частоту напряжения независимой от скорости вращения ротора удается только с помощью силовой электроники.
В результате для катеров и яхт выпускается два принципиально разных вида генераторных установок — с постоянной и с переменной скоростями вращения вала двигателя. Модели с постоянными оборотами распространены больше. Генверторы, стоят дороже, пока встречаются реже, но постепенно завоевывают все большую популярность у владельцев.
AC генераторы
Физические принципы преобразования механической энергии в электрическую одинаковы в установках обоих типов. Обмотка возбуждения или постоянные магниты создают в корпусе генератора первичное магнитное поле. Двигатель приводит ротор во вращение, магнитный поток проходящий через обмотки якоря изменяется и в них возникает переменное напряжение.
Генераторы, на роторе которых расположена обмотка возбуждения, похожи автомобильные. Но в отличии от автомобильных, сохраняют слабое магнитное поле после остановки двигателя и отключения тока возбуждения. При повторном запуске остаточная намагниченность ротора вызывает на выходе генератора небольшое напряжение, которое создает ток в обмотке возбуждения и выводит генератор на полную мощность. В рабочем режиме ток для обмотки возбуждения отбирают с одной из обмоток статора, затем выпрямляют и направляют в ротор через щетки и прилегающие к ним кольца
Первичное магнитное поле можно создать и с помощью возбудителя, расположенного на статоре генератора. В этом случае кроме обмотки возбудителя на статоре располагают главную обмотку и независимую от выхода переменного тока цепь зарядки аккумуляторов.
Морские установки с бесщеточными генераторами самые распространенные в настоящее время. Однако из-за того, что ток ротора регулируется не напрямую, а через возбудитель бесщеточные генераторы хуже держат пусковые токи и не так точно поддерживают выходное напряжение и частоту. Основное преимущество бесщеточных генераторов – надежность и простота обслуживания
- 1500 об/мин предпочтительнее чем 3000 об/мин. Медленно вращающийся двигатель меньше шумит и вибрирует
- Трех или шести цилиндровые двигатели работают тише и плавнее, чем двух или четырех цилиндровые
- Максимальный крутящий момент двигателя должен располагаться на рабочей частоте генератора (или чуть ниже ее)
- Обслуживать генератор в тесном помещении яхты будет проще и удобнее, если все сервисные точки (фильтры и т.д) находятся с одной стороны установки
- Мощность генератора необходимо выбрать таким образом, чтобы большую часть времени установка работала в интервале 35-70% номинальной мощности и лишь изредка при нагрузке менее 25% от номинальной.
- Пиковая мощность генератора должна соответствовать пусковым токам установленного на борту оборудования. Два генератора одинаковой мощности, но разной конструкции могут выдерживать разные пусковые токи
- Во всем рабочем диапазоне, от холостого хода до полной нагрузки, отклонение амплитуды и частоты выходного напряжения не должно превышать 5% от номинальных значений. Предпочтительное отклонение - не более 1,5% он номинала. Выходное напряжение большинства небольших бесщеточных генераторов может быть крайне нестабильным, особенно при быстром изменении нагрузки
- Температура длительное время работающего на полной мощности генератора не должна сильно превышать температуру окружающего воздуха. Чем больше меди в обмотках и чем выше качество генератора, тем меньше вырастет его температура во время работы.
- Установка должна отключаться при низком давлении масла, высокой температуре охлаждающей жидкости и выхлопных газов. Некоторые генераторы кроме этого контролируют температуру обмоток
Генераторы с переменной скоростью вращения
Классические генераторные установки, описанные ранее, обладают двумя принципиальными недостатками:
- Выходное напряжение генератора имеет необходимую частоту только тогда, когда его ротор вращается с определенной скоростью, как правило 1500 или 3000 об/мин. Однако на таких оборотах двигатель часто не развивает полную мощность и работает с низким КПД.
- Обороты двигателя должны оставаться постоянными и при полной загрузке генератора и тогда, когда генератор работает на холостом ходу. Но без нагрузки двигатель работает крайне неэффективно и напрасно шумит. Стоимость его обслуживания возрастает, а моторесурс уменьшается
У дизель генераторов с переменными оборотами двигателя (Variable Speed Technology- VST) таких недостатков нет, поскольку напряжение поступает потребителям не напрямую от генератора, а после нескольких преобразований. Сначала выпрямитель превращает выходное переменное напряжение генератора в постоянное. Затем из постоянного в DC-AC инверторе получают переменное напряжения требуемой частоты и только после этого стабилизированное напряжение поступает в бортовую сеть катера или яхты
Установки с переменной скоростью вращения проектируют таким образом, чтобы при заданной нагрузке двигатель работал с максимальным КПД. Генераторы используют ротор с постоянными магнитами и не имеют ни ремней, ни шкивов, ни щеток, ни каких-либо других регулировок. При одинаковых характеристиках VST установки легче и компактнее, традиционных моделей, а их выходное напряжение чище и стабильнее.
Ходовой двигатель как генератор
Все ходовые двигатели на катерах и парусных яхтах оснащаются генератором. Назначение этого генератора — зарядка стартового аккумулятора и питание бортового оборудования во время работы двигателя. Генераторы лодочных двигателей могут иметь мощность до 2- 2,5 кВт, но использовать их для зарядки сервисных аккумуляторных батарей большой емкости напрямую не выгодно.
Постоянное напряжение генератора подходит для зарядки стартового аккумулятора, но не годится для тяговых АКБ в толстые пластины которых впрессован плотный активный материал. После того как поверхностное напряжение пластин вырастает, ток уменьшается и аккумулятор не успевает зарядится даже при длительной работе двигателя
Однако генератор лодочного двигателя легко превратить в современное многоступенчатое зарядное устройство и он с успехом заменит переносной бензиновый генератор. Для этого используется тот же подход, что и в генераторах с переменной частотой вращения. Выходное напряжение лодочного генератора подается на тяговые аккумуляторы не на прямую, а через управляемое микропроцессором DC-DC зарядное устройство, которое заставляет генератор отдавать в цепь ток равный своему номиналу и одновременно преобразует постоянное напряжение генератора в четырехступенчатую кривую, которая меняется в зависимости от состояния аккумулятора.
Примеры DC-DC зарядных устройств:
- Sterling Power BB1260Входное напряжение 11-20 Вольт
- 12->12 Вольт    Номинальное входное и выходное напряжение 12 Вольт. Диапазон входного напряжения 11-20 Вольт
- Максимальный ток 60 А    Есть режим 50% мощности
- Быстрая зарядка постоянным током
- Режимы для GEL(2), AGM(2), LiFePO4, кальциевых и жидко-кислотных аккумуляторов    9 режимов зарядки. Возможность создать собственный зарядный профиль
- -    Класс защиты IP21
- Sterling Power BB1230
- 12->12 Вольт
- Максимальный ток 30 А
- Быстрая зарядка постоянным током    Четырехступенчатый зарядный профиль. Постоянный ток, постоянное напряжение, кондиционирование и поддерживающая зарядка
- Режимы для GEL, AGM, LiFePO4 и жидко-кислотных аккумуляторов
- -
- Sterling Power BBW1212
- 12->12 Вольт    Номинальное входное и выходное напряжение 12 Вольт. Диапазон входного напряжения 11-16 Вольт. Выходного 13-15,1
- Максимальный ток 28 А    Максимальный ток, потребляемый устройством. Работает с генератором любой мощности
- Безопасно для LiFePO4 АКБ
- Режимы для GEL, AGM, LiFePO4 и жидко-кислотных аккумуляторов
- Водонепроницаемое    Класс защиты IP68
На первом этапе устройство поддерживает постоянный ток, затем постоянное напряжение и наконец, после полной зарядки, понижает напряжение так, чтобы не перезарядить аккумуляторы, а просто компенсировать их естественный саморазряд.
Преимущества зарядных конверторов
- Ускоряют зарядку сервисной аккумуляторной батареи в 5-10 раз. Незаменимы для катеров и яхт с инвертором. При среднем энергопотреблении делают ненужным на катере переносной бензиновый генератор
- Просто установить. Обслуживание не требуется. Стоимость в разы меньше, чем у любой генераторной установки
- Ток от 30 до 120 А. Несколько устройств могут работать параллельно. Напряжение 12 или 24 Вольта. Подходят для аккумуляторных батарей емкостью 100 – 600 Ач и генераторов разной мощности
- Режимы для зарядки гелевых, AGM, жидко-кислотных и LiFePO4 аккумуляторов
DC генераторы
Широкое распространение дизель генераторы постоянного напряжения получили на катерах и яхтах относительно недавно благодаря развитию инверторов и распространению устройств автоматического запуска генераторов
Как и в других типах установок, переменное напряжение здесь создает генератор с обмоткой возбуждения или с постоянными магнитами. В первых моделях напряжение генератора соответствовало напряжению аккумуляторной батареи. Сейчас используют генераторы с выходным переменным напряжением 240 Вольт, а преобразуют напряжение до уровня аккумуляторной батареи и управляют процессом зарядки с помощью внешнего электронного блока, который устанавливают на любом расстоянии от дизельного генератора.
Преимущества DC генераторов:
- Чувствительная электроника расположена на расстоянии от источника тепла, которым является работающий дизель-генератор
- Используются бесщеточные генераторы на постоянных магнитах с высоким КПД
- Высокая электрическая эффективность в сочетании с оптимальным режимом работы двигателя повышают общий КПД по сравнению с классическими генераторными установками
- Дизельные генераторы имеют водяное охлаждение, относительно небольшие размеры и вес