Долгое время единственным источником переменного напряжения на борту катера или яхты вдали от берега были генераторы переменного тока. Мощные и эффективные инверторы немного изменили ситуацию.
При нагрузке до 2 кВт, стоимость электроэнергии, производимой аккумулятором и инвертором, а так же устройством зарядки часто оказывается вдвое ниже, чем у самого экономичного генератора. Однако для нагрузок, превышающих 2 кВт, дизельный или бензиновый генератор по-прежнему незаменимы.
Комфорт на яхте требует больших затрат энергии. Электрическая плита, водонагреватель или морозильная камера потребляют большую мощность и подключать такие устройства к аккумуляторным батареям через инвертор уже невыгодно. Для мощных потребителей необходим независимый источник переменного напряжения другого типа. Без мощной генераторной установки на борту яхты в этом случае обойтись затруднительно.
Для обеспечения устойчивой работы электрооборудования параметры напряжения в бортовой сети не должны отличаться от напряжения в городской квартире, то есть, частота и амплитуда должны быть стабильными 50 гц. 220-230 вольт.
Частота 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. А если на роторе две пары полюсов, то скорость вращения снижается до 1500 об/мин. В обоих случаях, чтобы поддерживать частоту напряжения постоянной, вал двигателя и генератора должны иметь фиксированную частоту вращения независимо от нагрузки в электрической сети.
Производители иногда устанавливают после двигателя редуктор или ременную передачу, что изменяют количество оборотов вала. Но сделать частоту тока полностью независимой от частоты вращения ротора удается только с помощью силовой электроники.
Для катеров и яхт выпускаются два принципиально разных вида генераторных установок переменного тока AC — с постоянной и с переменной скоростями вращения вала двигателя. Модели с постоянными оборотами распространены больше, но не всегда способны обеспечить должную стабильность параметров для надёжной работы электрооборудования. В генераторах постоянного тока DC электронная стабилизация частоты и напряжения осуществляется в любом случае.
Принципы преобразования механической энергии в электрическую одинаковы в любых установках, AC или DC. Обмотка возбуждения или постоянные магниты создают первичное магнитное поле, двигатель приводит ротор во вращение, а магнитный поток проходящий через обмотки якоря создаёт основное переменное напряжение.
Устаревшие генераторы AC, на роторе которых имеется обмотка возбуждения, сохраняют слабое магнитное поле после остановки двигателя, но при повторном запуске остаточная намагниченность ротора вызывает на выходе генератора небольшое напряжение, которое и создаст ток в обмотке возбуждения, выводя генератор на требуемую мощность. В рабочем режиме ток для обмотки возбуждения отбирают с одной из обмоток статора, затем выпрямляют и направляют в ротор через щетки и кольца.
Первичное магнитное поле можно создать и без щёток с помощью возбудителя на статоре генератора и дополнительного источника - аккумулятора. В этом случае, кроме обмотки возбудителя, на статоре располагают главную обмотку, а так же обмотку, которая обеспечит ток зарядки аккумуляторов независимо от выхода переменного тока бортовой сети.
Морские установки с бесщеточными генераторами самые распространенные в настоящее время. Однако из-за того, что ток ротора регулируется через дополнительный возбудитель, бесщеточные генераторы хуже держат пусковые токи и недостаточно точно поддерживают выходное напряжение и частоту. Основное преимущество бесщеточных генераторов – надежность и простота обслуживания.
Описанные классические генераторные установки переменного тока 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 генераторов с переменными оборотами двигателя (Variable Speed Technology- VST) таких недостатков нет, поскольку напряжение поступает к потребителям не напрямую от генератора, а после нескольких преобразований. Сначала выпрямитель превращает выходное переменное напряжение генератора в постоянное. Затем из постоянного с помощью инвертора DC/AC получают переменное напряжения требуемой частоты и только после этого стабилизированное напряжение поступает в бортовую сеть 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 такие установки компактнее, а их выходное напряжение стабильнее.
Широкое распространение дизельные генераторы постоянного тока получили на катерах и яхтах относительно недавно благодаря развитию силовых инверторов и распространению устройств автоматического запуска.
Как и в других типах установок, переменное напряжение создает генератор с обмоткой возбуждения или с постоянными магнитами. Переменное напряжение частотой 50 Гц вырабатывает инвертор. В первых моделях напряжение генератора соответствовало напряжению аккумуляторной батареи. Сейчас используют генераторы с выходным напряжением 240 Вольт, а с помощью электронного преобразователя получают напряжение управления, соизмеримое с уровнем аккумуляторной батареи, которое обеспечивает процесс их зарядки и питание низковольтных стабилизирующих цепей.
Электронные компоненты расположены на безопасном расстоянии от источника тепла - работающего двигателя и генератора.
Бесщеточные генераторы на постоянных магнитах имеют более высокий КПД.
Электрическая эффективность и оптимальный режим работы двигателя повышают общий КПД в сравнении с классическими генераторами.
Замечания и предложения принимаются и приветствуются!