Генератор - Alternator

Генераторы, изготовленные в 1909 г. на заводе Ганца в электрогенерирующем зале русской гидроэлектростанции (фото Прокудина-Горского , 1911 г.).

Генератор представляет собой электрический генератор , который преобразует механическую энергию в электрическую энергию в форме переменного тока . Из соображений стоимости и простоты в большинстве генераторов используется вращающееся магнитное поле со стационарным якорем . Иногда используется линейный генератор переменного тока или вращающийся якорь со стационарным магнитным полем. В принципе, любой электрический генератор переменного тока можно назвать генератором переменного тока, но обычно этот термин относится к небольшим вращающимся машинам, приводимым в действие автомобильными и другими двигателями внутреннего сгорания.

Генератор , который использует постоянный магнит для его магнитного поля называется магнето . Генераторы на электростанциях с приводом от паровых турбин называются турбогенераторами . Большие трехфазные генераторы переменного тока на 50 или 60 Гц на электростанциях вырабатывают большую часть мировой электроэнергии, которая распределяется по электрическим сетям .

История

В том, что считается первым промышленным использованием переменного тока в 1891 году, рабочие позируют с генератором переменного тока Westinghouse на гидроэлектростанции Эймса . Эта машина использовалась как генератор, производящий однофазный переменный ток напряжением 3000 вольт, 133 герц, а идентичная машина на расстоянии 3 миль (4,8 км) использовалась как двигатель переменного тока.

Системы генерации переменного тока были известны в простых формах с момента открытия магнитной индукции электрического тока в 1830-х годах. Вращающиеся генераторы, естественно, производили переменный ток, но, поскольку он был малопригоден, он обычно преобразовывался в постоянный ток путем добавления коммутатора в генератор. Первые машины были разработаны такими первопроходцами, как Майкл Фарадей и Ипполит Пикси . Фарадей разработал «вращающийся прямоугольник», работа которого была гетерополярной - каждый активный проводник последовательно проходил через области, где магнитное поле было в противоположных направлениях. Лорд Кельвин и Себастьян Ферранти также разработали первые генераторы переменного тока с частотой от 100 до 300 Гц .

В конце 1870-х годов были введены первые крупномасштабные электрические системы с центральными генерирующими станциями для питания дуговых ламп , используемых для освещения целых улиц, заводских дворов или внутренних помещений больших складов. Некоторые из них, например дуговые лампы Яблочкова, представленные в 1878 году, лучше работали на переменном токе, и разработка этих ранних систем генерации переменного тока сопровождалась первым использованием слова «генератор переменного тока». Подача надлежащего напряжения от генерирующих станций в этих ранних системах была оставлена ​​на усмотрение инженеров в «управлении нагрузкой». В 1883 году завод Ганца изобрел генератор постоянного напряжения, который мог производить заданное выходное напряжение независимо от значения фактической нагрузки. Появление трансформаторов в середине 1880-х годов привело к широкому использованию переменного тока и генераторов переменного тока, необходимых для его производства. После 1891 года были введены многофазные генераторы переменного тока для питания токов нескольких различных фаз. Более поздние генераторы были разработаны для различных частот переменного тока от шестнадцати до примерно ста герц, для использования с дуговой подсветкой, лампами накаливания и электродвигателями. Специализированные радиочастотные генераторы переменного тока, такие как генератор переменного тока Alexanderson, были разработаны как длинноволновые радиопередатчики во время Первой мировой войны и использовались в нескольких мощных беспроводных телеграфных станциях до того, как их заменили ламповые передатчики.

Принцип действия

Схема простого генератора переменного тока с вращающимся магнитным сердечником (ротором) и неподвижным проводом (статором), также показывающая ток, индуцируемый в статоре вращающимся магнитным полем ротора.

Проводник, движущийся относительно магнитного поля, развивает в нем электродвижущую силу (ЭДС) ( закон Фарадея ). Эта ЭДС меняет свою полярность, когда она движется под магнитными полюсами противоположной полярности. Как правило, вращающийся магнит, называемый ротором, вращается внутри стационарного набора проводников, намотанных катушками на железном сердечнике, называемом статором . Поле пересекает проводники, создавая наведенную ЭДС (электродвижущую силу), поскольку механический вход заставляет ротор вращаться.

Вращающееся магнитное поле индуцирует напряжение переменного тока в обмотках статора. Поскольку токи в обмотках статора изменяются в зависимости от положения ротора, генератор переменного тока является синхронным генератором.

Магнитное поле ротора может создаваться постоянными магнитами или электромагнитом катушки возбуждения. В автомобильных генераторах переменного тока используется обмотка ротора, которая позволяет управлять напряжением, генерируемым генератором, путем изменения тока в обмотке возбуждения ротора. Машины с постоянными магнитами позволяют избежать потерь из-за тока намагничивания в роторе, но их размер ограничен из-за стоимости материала магнита. Поскольку поле постоянного магнита постоянно, напряжение на клеммах напрямую зависит от скорости генератора. Бесщеточные генераторы переменного тока обычно больше, чем те, которые используются в автомобилях.

Устройство автоматического регулирования напряжения контролирует ток возбуждения, чтобы поддерживать постоянное выходное напряжение. Если выходное напряжение неподвижных катушек якоря падает из-за увеличения нагрузки, через регулятор напряжения (VR) во вращающиеся катушки возбуждения подается больший ток . Это увеличивает магнитное поле вокруг катушек возбуждения, что вызывает большее напряжение в катушках якоря. Таким образом, выходное напряжение возвращается к исходному значению.

Генераторы переменного тока, используемые на центральных электростанциях, также управляют током возбуждения, чтобы регулировать реактивную мощность и помочь стабилизировать энергосистему от воздействия кратковременных неисправностей . Часто имеется три набора обмоток статора, физически смещенных, так что вращающееся магнитное поле создает трехфазный ток, смещенный на одну треть периода относительно друг друга.

Синхронные скорости

Один цикл переменного тока создается каждый раз, когда пара полюсов возбуждения проходит через точку на неподвижной обмотке. Соотношение между скоростью и частотой:, где - частота в Гц (циклов в секунду). число полюсов (2, 4, 6,…) и скорость вращения в оборотах в минуту (об / мин). Очень старые описания систем переменного тока иногда дают частоту в единицах чередования в минуту, считая каждый полупериод как одно чередование ; Таким образом, 12 000 полуколебаний в минуту соответствуют 100 Гц. ${\ Displaystyle N = 120f / P}$${\ displaystyle f}$${\ displaystyle P}$${\ displaystyle N}$

Выходная частота генератора переменного тока зависит от количества полюсов и скорости вращения. Скорость, соответствующая определенной частоте, называется синхронной скоростью для этой частоты. В этой таблице приведены несколько примеров:

Классификации

Генераторы можно классифицировать по способу возбуждения, количеству фаз, типу вращения, способу охлаждения и их применению.

По возбуждению

Существует два основных способа создания магнитного поля, используемого в генераторах переменного тока: с помощью постоянных магнитов, создающих собственное постоянное магнитное поле, или с помощью катушек возбуждения . Генераторы, в которых используются постоянные магниты, называются магнето .

В других генераторах переменного тока катушки с намоткой поля образуют электромагнит для создания вращающегося магнитного поля.

Устройство, которое использует постоянные магниты для производства переменного тока, называется генератором с постоянными магнитами (PMA). Генератор на постоянных магнитах (PMG) может производить как переменный, так и постоянный ток, если у него есть коммутатор .

Генератор постоянного тока с прямым подключением

Этот метод возбуждения состоит из небольшого генератора постоянного тока (DC), закрепленного на одном валу с генератором переменного тока. Генератор постоянного тока вырабатывает небольшое количество электричества, достаточное для возбуждения полевых катушек подключенного генератора переменного тока для выработки электричества. Разновидностью этой системы является тип генератора переменного тока, который использует постоянный ток от батареи для начального возбуждения при запуске, после чего генератор становится самовозбуждающимся.

Преобразование и исправление

Этот метод зависит от остаточного магнетизма, сохраняющегося в железном сердечнике, для создания слабого магнитного поля, которое позволит генерировать слабое напряжение. Это напряжение используется для возбуждения катушек возбуждения генератора переменного тока, чтобы генерировать более сильное напряжение в процессе его нарастания . После начального роста переменного напряжения в поле подается выпрямленное напряжение от генератора.

Бесщеточные генераторы

Бесщеточный генератор переменного тока состоит из двух генераторов, установленных встык на одном валу. До 1966 года в генераторах использовались щетки с вращающимся полем. С развитием полупроводниковой технологии стали возможны бесщеточные генераторы переменного тока. Бесщеточные генераторы меньшего размера могут выглядеть как одно целое, но на больших версиях эти две части легко различимы. Большая из двух секций - это главный генератор, а меньшая - возбудитель. Возбудитель имеет стационарные катушки возбуждения и вращающийся якорь (силовые катушки). В главном генераторе используется противоположная конфигурация с вращающимся полем и неподвижным якорем. Мостовой выпрямитель , называемый вращающийся выпрямитель в сборе, установлен на роторе. Не используются ни щетки, ни контактные кольца, что снижает количество изнашиваемых деталей. Главный генератор переменного тока имеет вращающееся поле, как описано выше, и неподвижный якорь (обмотки для выработки электроэнергии).

Изменяя величину тока через катушки постоянного возбуждения возбуждения, вы изменяете трехфазный выход возбудителя. Этот выходной сигнал выпрямляется вращающимся выпрямительным узлом, установленным на роторе, и результирующий постоянный ток питает вращающееся поле главного генератора переменного тока и, следовательно, выход генератора переменного тока. Результатом всего этого является то, что небольшой постоянный ток возбудителя косвенно управляет выходной мощностью главного генератора переменного тока.

По количеству фаз

Другой способ классифицировать генераторы переменного тока - это количество фаз их выходного напряжения. Выход может быть однофазным или многофазным. Трехфазные генераторы переменного тока являются наиболее распространенными, но многофазные генераторы могут быть двухфазными, шестифазными или более.

Путем вращения части

Вращающейся частью генераторов переменного тока может быть якорь или магнитное поле. Якорь вращающегося типа имеет якорь, намотанный на ротор, где обмотка движется через стационарное магнитное поле. Тип якоря револьверный применяется нечасто. Тип вращающегося поля имеет магнитное поле на роторе, которое вращается через неподвижную обмотку якоря. Преимущество состоит в том, что в этом случае цепь ротора несет гораздо меньшую мощность, чем цепь якоря, что делает соединения контактных колец меньше и дешевле; только два контакта необходимы для ротора постоянного тока, тогда как часто обмотка ротора имеет три фазы и несколько секций, каждая из которых требует соединения контактного кольца. Стационарный якорь можно намотать на любой удобный уровень среднего напряжения до десятков тысяч вольт; производство контактных колец на напряжение более нескольких тысяч вольт дорого и неудобно.

Способы охлаждения

Многие генераторы переменного тока охлаждаются окружающим воздухом, который пропускается через кожух с помощью прикрепленного к нему вентилятора на том же валу, который приводит в движение генератор переменного тока. В транспортных средствах, таких как транзитные автобусы, большая нагрузка на электрическую систему может потребовать от большого генератора переменного тока с масляным охлаждением. В морских приложениях также используется водяное охлаждение. В дорогих автомобилях могут использоваться генераторы с водяным охлаждением для удовлетворения высоких требований к электрической системе.

Конкретные приложения

Электрические генераторы

Большинство электростанций используют синхронные машины в качестве генераторов. Подключение этих генераторов к электросети требует выполнения условий синхронизации.

Автомобильные генераторы

Генератор установлен на автомобильном двигателе со змеевидным ременным шкивом (ремень отсутствует).

Генераторы используются в современных автомобилях для зарядки аккумулятора и питания электрической системы при работающем двигателе .

До 1960-х годов в автомобилях использовались динамо- генераторы постоянного тока с коммутаторами . При наличии доступных кремниевых диодных выпрямителей вместо них использовались генераторы.

Генераторы для тепловозов и электровозов

В более поздних дизельных электровозов и дизель - электропоезд , то первичный двигатель поворачивает генератор переменного тока , который обеспечивает электрическую энергию для тяговых двигателей (переменного или постоянного тока).

Тяговый генератор обычно включает встроенные кремниевые диодные выпрямители для обеспечения тяговых двигателей напряжением до 1200 вольт постоянного тока.

Первые дизельные электровозы, и многие из тех, что еще находятся в эксплуатации, использовали генераторы постоянного тока, поскольку до кремниевой силовой электроники было легче контролировать скорость тяговых двигателей постоянного тока. У большинства из них было два генератора: один для генерации тока возбуждения для большего основного генератора.

По желанию, генератор также обеспечивает питание головной части (HEP) или мощность для обогрева электропоезда . Опция HEP требует постоянной скорости двигателя, обычно 900 об / мин для приложения HEP 480 В 60 Гц, даже когда локомотив не движется.

Генераторы судовые

Судовые генераторы, используемые на яхтах, аналогичны автомобильным генераторам переменного тока с соответствующей адаптацией к среде соленой воды. Судовые генераторы переменного тока спроектированы как взрывозащищенные (с защитой от воспламенения), поэтому искрение щеткой не воспламеняет взрывоопасные газовые смеси в машинном отделении. Они могут быть на 12 или 24 В в зависимости от типа установленной системы. Более крупные судовые дизели могут иметь два или более генератора переменного тока, чтобы справиться с высокими потребностями современной яхты в электроэнергии. В цепях с одним генератором мощность может быть разделена между пусковой батареей двигателя и бытовой или домашней батареей (или батареями) с помощью диода разделения заряда ( изолятора батареи ) или чувствительного к напряжению реле. Из-за высокой стоимости аккумуляторных батарей для больших домов в морских генераторах обычно используются внешние регуляторы. Многоступенчатые регуляторы управляют током возбуждения, чтобы максимизировать эффективность зарядки (время зарядки) и срок службы батареи. Многоступенчатые регуляторы можно запрограммировать для разных типов батарей. Можно добавить два датчика температуры: один для аккумулятора, чтобы регулировать напряжение зарядки, и датчик перегрева на генераторе переменного тока, чтобы защитить его от перегрева.

Генераторы для радио

Высокочастотные генераторы переменного тока с переменным сопротивлением коммерчески применялись для радиопередачи в низкочастотных диапазонах. Они использовались для передачи кода Морзе и, экспериментально, для передачи голоса и музыки. В генераторе Alexanderson и обмотка возбуждения, и обмотка якоря неподвижны, и ток индуцируется в якоре за счет изменяющегося магнитного сопротивления ротора (у которого нет обмоток или токоведущих частей). Такие машины были созданы для выработки радиочастотного тока для радиопередач, хотя эффективность была низкой.

Смотрите также

использованная литература

внешние ссылки

• Уайт, Томас Х., " Разработка генератора-передатчика (1891–1920) ". EarlyRadioHistory.us.
• Генераторы в Integrated Publishing (TPub.com)
• Деревянный низкооборотный генератор , ForceField, Форт-Коллинз, Колорадо, США
• Понимание трехфазных генераторов переменного тока в WindStuffNow
• Генератор, дуга и искра. Первые беспроводные передатчики (домашняя страница G0UTY)