Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Генератор, изготовленный в 1909 году на заводе Ганца в энергогенерирующем зале русской гидроэлектростанции (фото Прокудина-Горского , 1911 г.). [1]

Генератор представляет собой электрический генератор , который преобразует механическую энергию в электрическую энергию в форме переменного тока . [2] Из соображений стоимости и простоты в большинстве генераторов переменного тока используется вращающееся магнитное поле со стационарным якорем . [3] 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 движение автомобильным двигателем. и другие двигатели 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 . [4]

История [ править ]

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, находящаяся на расстоянии 3 миль, использовалась как двигатель переменного тока. [5] [6] [7]

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 от него было мало пользы, он обычно преобразовывался в постоянный ток путем добавления коммутатора в генератор. [8] Первые машины были разработаны пионерами, такими 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. [9] Лорд Кельвини 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». [10] [8] Подача надлежащего количества напряжения от генерирующих станций в этих ранних системах была оставлена ​​на усмотрение инженеров в «управлении нагрузкой». [11] В 1883 году завод Ганца изобрел генератор постоянного напряжения [12]которое могло бы обеспечить указанное выходное напряжение независимо от значения фактической нагрузки. [13] Появление трансформаторов в середине 1880-х годов привело к широкому использованию переменного тока и генераторов переменного тока, необходимых для его производства. [14] После 1891 года были введены многофазные генераторы переменного тока для подачи токов нескольких различных фаз. [15] Более поздние генераторы переменного тока были разработаны для различных частот переменного тока от шестнадцати до примерно ста герц, для использования с дуговым зажиганием, лампами накаливания и электродвигателями. [16] Специальные радиочастотные генераторы переменного тока, такие как генератор Alexanderson, были разработаны как длинноволновые. радиопередатчики во время Первой мировой войны и использовались на нескольких мощных станциях беспроводной телеграфии до того, как их заменили передатчики на электронных лампах.

Принцип работы [ править ]

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. [3]

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 больше тока . 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 для регулирования реактивной мощности и для стабилизации энергосистемы 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. [17]

Синхронные скорости [ править ]

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.

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 [18] приведены некоторые примеры:

ПолякиСкорость вращения (об / мин), дающая…
50 Гц60 Гц400 Гц
23 000360024 000
41,5001,80012 000
61,0001,2008 000
87509006000
106007204800
125006004 000
14428,6514,33 429
163754503 000
18333,34002,667
203003602400
401501801,200

Классификации [ править ]

Генераторы можно классифицировать по способу возбуждения, количеству фаз, типу вращения, способу охлаждения и их применению. [19]

По возбуждению [ править ]

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 [ править ]

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. [19]

Преобразование и исправление [ править ]

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. [19]

Бесщеточные генераторы [ править ]

Бесщеточный генератор переменного тока состоит из двух генераторов, установленных встык на одном валу. До 1966 года в генераторах использовались щетки с вращающимся полем. [20] 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 вращающимся выпрямительным узлом, 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. [21]

По количеству фаз [ править ]

Основные статьи: Однофазный генератор и Многофазная катушка

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. [19]

Путем вращения [ править ]

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 револьверной арматуры применяется нечасто. [19] Вращающееся поле 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, поэтому контактное кольцоподключения 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 [ править ]

Многие генераторы переменного тока охлаждаются окружающим воздухом, который пропускается через кожух с помощью вентилятора, установленного на том же валу, который приводит в движение генератор. В транспортных средствах, таких как автобусы общественного транспорта, большая нагрузка на электрическую систему может потребовать от большого генератора переменного тока с масляным охлаждением. [22] 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 [ править ]

Электрические генераторы [ править ]

Дополнительная информация: Электрический генератор

Большинство электростанций используют синхронные машины в качестве генераторов. Подключение этих генераторов к электросети требует выполнения условий синхронизации. [23]

Автомобильные генераторы [ править ]

Дополнительная информация: Генератор (автомобильный)
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 тепловозных электровозов [ править ]

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, используют 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.

Морские генераторы [ править ]

Судовые генераторы, используемые на яхтах, аналогичны автомобильным генераторам с соответствующей адаптацией к среде соленой воды. Судовые генераторы имеют взрывозащищенную конструкцию, поэтому искрение щеток не воспламеняет взрывоопасные газовые смеси в машинном отделении. Они могут быть на 12 или 24 В в зависимости от типа установленной системы. Более крупные морские 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.

Генераторы радио [ править ]

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 переменного тока 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.

См. Также [ править ]

  • Бутылочная динамо-машина
  • Динамо
  • Электрический генератор
  • Двигатель-генератор
  • Государственный исторический парк Folsom Powerhouse
  • Ступица динамо
  • Генератор индукционный , использующий обычный асинхронный двигатель.
  • Динамо Джедлика
  • Линейный генератор
  • Магнето
  • Многофазная катушка
  • Генератор с вращающимся якорем
  • Однофазный генератор
  • Генератор с переключением потока

Ссылки [ править ]

  1. ^ "Авраам Ганц в Гиндукуше" . Поэмы дель Рио Ван . Студиол. Архивировано из оригинального 11 февраля 2016 года . Проверено 30 сентября 2015 года .
  2. Перейти ↑ Aylmer-Small, Sidney (1908). «Урок 28: Генераторы» . Электрические железные дороги; или Электроэнергия применительно к железнодорожному транспорту . Чикаго: Фредерик Дж. Дрейк и Ко, стр. 456–463.
  3. ^ a b Гордон Р. Селмон, Магнитоэлектрические устройства , John Wiley and Sons, 1966, без ISBN, стр. 391-393
  4. ^ «Список вилок / розеток и напряжения разных стран» . Мировые стандарты . Мировые стандарты.
  5. ^ DM Mattox, Основы технологии вакуумного покрытия, стр. 39
  6. ^ "ЧАРЛЬЗ С. БРИТТОН, Ранняя электроэнергетическая установка в Колорадо, журнал Colorado Magazine v49n3, лето 1972 г., стр.185" (PDF) . Архивировано из оригинального (PDF) 28 июля 2016 года . Дата обращения 15 августа 2016 .
  7. ^ "Вехи: Гидроэлектростанция Эймса, 1891" . Сеть глобальной истории IEEE . IEEE . Проверено 29 июля 2011 года .
  8. ^ a b Кристофер Купер, Правда о Tesla: миф об одном гении в истории инноваций, Quarto Publishing Group USA - 2015, стр. 93
  9. ^ Томпсон, Сильванус П., Динамо-электрические машины . п. 7.
  10. ^ Jill Джоннес, Empires Света: Эдисон, Тесла, Westinghouse, и гонка электрифицировать мир, Random House - 2004, стр 47
  11. ^ Дональд Скотт Макпартленд, Почти Эдисон: Как Уильям Сойер и другие проиграли гонку к электрификации, ProQuest - 2006, стр. 135
  12. ^ Американское общество инженерного образования (1995). Сборник материалов, часть 2 . п. 1848 г.
  13. ^ Роберт Л. Либби (1991). Справочник по схемной математике для технических инженеров . CRC Press . п. 22. ISBN 9780849374005.
  14. ^ Томпсон, Сильванус П. "Вехи: Электрификация переменного тока, 1886" . Сеть глобальной истории IEEE . Проверено 22 сентября 2013 года .
  15. ^ Томпсон, Сильванус П., Динамо-электрические машины . стр.17
  16. ^ Томпсон, Сильванус П., Динамо-электрические машины . стр.16
  17. ^ BM Weedy. Электроэнергетические системы, второе издание , Джон Уайли и сыновья, 1972, ISBN 0 471 92445 8 , стр. 141 
  18. ↑ The Electrical Year Book 1937, издательство Emmott & Co. Ltd., Манчестер, Англия, стр. 72
  19. ^ a b c d e Справочник техника по обслуживанию авиации - общее (FAA-H-8083-30) (PDF) . Федеральное управление гражданской авиации . 2008. С. 10_160–10_161. Архивировано из оригинального (PDF) 6 сентября 2013 года . Проверено 6 сентября 2013 года .
  20. ^ "Cummins Generator Technologies | STAMFORD | AvK" . www.stamford-avk.com . Проверено 27 ноября 2019 года .
  21. ^ GK Dubey, Основы электрических приводов , CRC Press, 2002, ISBN 084932422X , стр. 350 
  22. ^ Гас Райт, Основы дизельных двигателей средней / большой мощности , Jones & Bartlett Publishers, 2015, ISBN 128406705X, стр. 1233 
  23. ^ Мягкая синхронизация рассредоточенных генераторов с микросетями для приложений умных сетей

Внешние ссылки [ править ]

  • 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 в WindStuffNow
  • Генератор, дуга и искра. Первые беспроводные передатчики (домашняя страница G0UTY)