Однофазный генератор (также известный как однофазный генератор переменного тока ) - это электрический генератор переменного тока, который вырабатывает одно, непрерывно переменное напряжение. Однофазные генераторы могут использоваться для выработки электроэнергии в однофазных электроэнергетических системах. Однако многофазные генераторы обычно используются для подачи энергии в трехфазной распределительной системе, и вместо этого ток преобразуется в однофазный около однофазных нагрузок. Таким образом, однофазные генераторы используются в приложениях, которые чаще всего используются, когда приводимые в действие нагрузки относительно легкие [1] и не подключены к трехфазному распределителю, например, переносным.двигатели-генераторы . Однофазные генераторы большего размера также используются в специальных приложениях, таких как однофазные тяговые системы для систем электрификации железных дорог . [2]
Дизайн [ править ]
Вращающаяся арматура [ править ]
Генераторы с вращающимся якорем должны иметь часть якоря на роторе и часть магнитного поля на статоре . Базовая конструкция, называется элементарным генератором , [3] , чтобы иметь прямоугольную арматуру контура , чтобы сократить силовые линии между северным и южным полюсами. Разрезая силовые линии посредством вращения, он производит электрический ток. Ток выводится из генераторного блока через два набора контактных колец и щеток , по одному на каждый конец якоря. В этой двухполюсной конструкции, когда якорь вращается на один оборот, он генерирует один цикл однофазногопеременный ток (AC). Чтобы генерировать выход переменного тока, якорь вращается с постоянной скоростью, имеющей количество оборотов в секунду, чтобы соответствовать желаемой частоте (в герцах ) выхода переменного тока.
- Взаимосвязь выхода переменного тока и вращения якоря
Взаимосвязь вращения якоря и выхода переменного тока можно увидеть на этой серии изображений. Из-за кругового движения якоря против прямых силовых линий переменное количество силовых линий будет разрезано даже при постоянной скорости движения. При нулевом градусе прямоугольное плечо якоря не перерезает силовые линии, давая нулевое выходное напряжение. Поскольку рычаг якоря вращается с постоянной скоростью к положению 90 °, обрезается больше линий. Силовые линии обрезаются максимум, когда якорь находится в положении 90 °, выдавая наибольший ток в одном направлении. Когда он поворачивается к положению 180 °, меньшее количество силовых линий обрезается, выдавая меньшее напряжение, пока оно снова не станет нулевым в положении 180 °. Напряжение снова начинает расти, когда якорь направляется к противоположному полюсу в положении 270 °.В этом положении ток генерируется в противоположном направлении, обеспечивая максимальное напряжение на противоположной стороне. Напряжение снова уменьшается, когда он завершает полный оборот. За один оборот выход переменного тока производится за один полный цикл, как показано насинусоида .
К однофазному генератору также можно добавить больше полюсов, чтобы одно вращение могло производить более одного цикла выходного переменного тока. В примере слева часть статора реконфигурируется так, чтобы иметь 4 полюса, которые расположены на одинаковом расстоянии. К двум южным полюсам примыкает северный полюс. Также изменилась форма якоря в роторной части. Это больше не плоский прямоугольник. Рука согнута на 90 градусов. Это позволяет одной стороне якоря взаимодействовать с северным полюсом, в то время как другая сторона взаимодействует с южным полюсом аналогично двухполюсной конфигурации. Ток по-прежнему подается через два набора контактных колец и щеток таким же образом, как и в двухполюсной конфигурации. Разница в том, что цикл выхода переменного тока может быть завершен после поворота якоря на 180 градусов. За один оборот выход переменного тока составит два цикла.Это увеличивает частоту выхода генератора. Можно добавить больше полюсов для достижения более высокой частоты при той же скорости вращения генератора или той же выходной частоты при более низкой скорости вращения генератора в зависимости от приложений.
Эта конструкция также позволяет увеличить выходное напряжение за счет изменения формы якоря. Мы можем добавить к арматуре больше прямоугольных петель, как показано на рисунке справа. Дополнительные петли на плече якоря соединены последовательно, которые фактически являются дополнительными обмотками того же проводящего провода, образующими катушку прямоугольной формы. В этом примере в катушке 4 обмотки. Поскольку формы всех обмоток одинаковы, количество силовых линий будет разрезано на одинаковую величину в одном и том же направлении в одно и то же время во всех обмотках. Это создает синфазный выход переменного тока для этих 4 обмоток. В результате выходное напряжение увеличивается в 4 раза, как показано синусоидой на диаграмме. [4]
Вращающееся поле [ править ]
Конструкция генераторов вращающегося поля должна иметь часть якоря на статоре и часть магнитного поля на роторе. Базовая конструкция однофазного генератора вращающегося поля показана справа. К ротору прикреплены два магнитных полюса, северный и южный, и две катушки, которые соединены последовательно и на равном расстоянии от статора. Обмотки двух катушек имеют обратное направление, чтобы ток протекал в одном направлении, потому что две катушки всегда взаимодействуют с противоположными полярностями. Поскольку полюса и катушки расположены на одинаковом расстоянии, а расположение полюсов совпадает с местоположением катушек, магнитные силовые линии разрезаются на одинаковую величину при любой степени поворота ротора. В результате напряжения, наведенные на все обмотки, имеют одинаковое значение в любой момент времени. Напряжения от обеих катушек " синфазны"."друг к другу. Таким образом, общее выходное напряжение в два раза больше напряжения, индуцированного в каждой обмотке. На рисунке, в позиции, где встречаются полюс номер 1 и катушка номер 1, генератор выдает максимальное выходное напряжение в одном направлении. Поскольку ротор поворачивается на 180 градусов, выходное напряжение чередуется для создания максимального напряжения в другом направлении. [3] Частота выходного переменного тока в этом случае равна количеству оборотов ротора в секунду. [1]
Эта конструкция также может позволить нам увеличить выходную частоту, добавив больше полюсов. В этом примере справа у нас есть 4 катушки, последовательно соединенные на статоре, а полевой ротор имеет 4 полюса. Обе катушки и полюса расположены на одинаковом расстоянии. Каждый полюс имеет полярность, противоположную полярности его соседей, которые расположены под углом 90 градусов. Каждая катушка также имеет обмотку, противоположную соседним. Эта конфигурация позволяет разрезать силовые линии на 4 полюсах 4 витками на одинаковую величину в заданный момент времени. При каждом повороте на 90 градусов полярность выходного напряжения переключается с одного направления на другое. Следовательно, есть 4 цикла выхода переменного тока за один оборот. Поскольку 4 катушки соединены последовательно, а их выходы «синфазны», выход переменного тока этого однофазного генератора будет иметь в 4 раза больше напряжения, чем напряжение, генерируемое каждой отдельной катушкой.[3]
Преимущество конструкции с вращающимся полем состоит в том, что если полюса являются постоянными магнитами , то нет необходимости использовать токосъемное кольцо и щетку для вывода электричества из генератора, поскольку катушки неподвижны и могут быть подключены напрямую от генератора к генератору. внешние нагрузки.
Малые генераторы [ править ]
Однофазные генераторы, с которыми люди знакомы, обычно имеют небольшие размеры. Приложения предназначены для резервных генераторов на случай отключения основного питания и для временного энергоснабжения на строительных площадках. [5]
Другое применение - в малой ветроэнергетике . Хотя в большинстве ветряных турбин используются трехфазные генераторы, однофазные генераторы встречаются в некоторых моделях небольших ветряных турбин с номинальной выходной мощностью до 55 кВт. Однофазные модели доступны для ветряных турбин с вертикальной осью (VAWT) и ветряных турбин с горизонтальной осью (HAWT). [6] [7]
Электростанции [ править ]
В первые дни производства электроэнергии генераторы на электростанциях были однофазными переменного или постоянного тока . Направление в электроэнергетике изменилось в 1895 году, когда более эффективные многофазные генераторы были успешно внедрены на ГЭС Адамс, которая была первой крупной многофазной электростанцией . [8] На новых электростанциях начали применять многофазную систему. В 1900-х годах многие железные дороги начали электрификацию своих линий. В то время однофазная система переменного тока широко использовалась в их тяговых сетях.рядом с системой постоянного тока. Первые генераторы для этих однофазных тяговых сетей были однофазными. [9] Даже с новыми трехфазными двигателями, которые были представлены в некоторых современных поездах, однофазные передачи для тяговых сетей пережили свое время и до сих пор используются на многих железных дорогах. [10] Однако многие тяговые электростанции со временем заменили свои генераторы, чтобы использовать трехфазные генераторы и преобразовать их в однофазные для передачи. [11]
Hydro [ править ]
На начальном этапе развития гидроэнергетики однофазные генераторы играли важную роль в демонстрации преимуществ переменного тока. В 1891 году однофазный генератор мощностью 100 лошадиных сил на 3000 вольт и 133 Гц был установлен на гидроэлектростанции Эймса, которая была соединена ремнем с водяным колесом Пелтона. Электроэнергия передавалась по кабелям длиной 4,2 км (2,6 мили) для питания идентичного двигателя на заводе. Завод был первым, кто вырабатывал электроэнергию переменного тока для промышленного применения, и это продемонстрировало эффективность передачи переменного тока. Это было прецедентом для более крупных заводов, таких как электростанция Эдварда Дина Адамса в Ниагара-Фолс, Нью-Йорк.в 1895 году. [12] Однако более крупные заводы работали с многофазными генераторами для большей эффективности. Это оставило применение однофазной гидроэлектроэнергии для особых случаев, таких как легкие нагрузки.
Пример использования однофазной сети в частном случае был реализован в 1902 году на муниципальной электростанции Сент-Луиса. Однофазный генератор мощностью 20 кВт был напрямую подключен к водяному колесу Pelton для выработки электроэнергии, достаточной для питания легких нагрузок. Это была ранняя демонстрация проточной гидроэнергетики для улавливания энергии из потока воды в общественном водопроводе.. Энергия для водопровода в этом случае создавалась не за счет силы тяжести, но вода перекачивалась более крупной паровой машиной на водонасосной станции для подачи воды потребителям. Решение о том, чтобы перекачивать воду более крупным двигателем, а затем отбирать часть энергии из потока воды для питания меньшего генератора, использующего водяное колесо, было основано на стоимости. В то время паровые машины были неэффективны и не рентабельны для системы мощностью 20 кВт. Поэтому они установили пароводяной насос, чтобы иметь достаточно энергии, чтобы поддерживать давление воды для потребителя и одновременно управлять небольшим генератором. [13]
Основное использование однофазной гидроэлектроэнергии сегодня - это питание тяговых сетей железных дорог. Многие сети электропередачи для железных дорог, особенно в Германии, полагаются на однофазную генерацию и передачу, которые используются до сих пор. Известная электростанция - ГЭС Вальхензее в Баварии . Станция забирает воду из озера Вальхензее для привода восьми турбин, приводящих в движение генераторы. Четыре из них являются трехфазными генераторами для снабжения энергосистемы . Остальные четыре однофазных генератора подключены к турбинам Pelton, общая мощность которых составляет 52 МВт, для обеспечения электрификации железной дороги 15 кВ переменного тока в Германии . [14]
Подобные однофазные генерации гидроэлектроэнергии также используются в другом варианте системы электрификации железных дорог в Соединенных Штатах. Электростанция на плотине Safe Harbour в Пенсильвании обеспечивает производство электроэнергии как для коммунальных предприятий, так и для железной дороги Amtrak . Две из 14 турбин подключены к двум однофазным генераторам для питания системы тягового питания Amtrak 25 Гц . Две турбины типа Каплана с 5 лопастями мощностью 42 500 лошадиных сил. [15]
Steam [ править ]
В первые годы паровые машины использовались в качестве первичных двигателей генераторов. Установка на муниципальной электростанции Сент-Луиса в 1900-х годах была примером использования паровых двигателей с однофазными генераторами. Завод в Сент-Луисе использовал составной паровой двигатель для привода однофазного генератора мощностью 100 кВт, который вырабатывал ток номинальной мощностью 1150 вольт. [13]
Паровые двигатели также использовались в течение двадцатого века на электростанциях для тяговых сетей, которые имели однофазное распределение энергии для определенных железных дорог. Примером таких систем генерации и распределения был специальный набор однофазных генераторов с паровыми турбинами на Уотерсайд генерирующей станции в Нью-Йорке в 1938 году. Однофазные генераторы были в конечном итоге выведены из эксплуатации в конце 1970-х годов из-за опасений по поводу отказа турбины на другой станции. Генераторы были заменены двумя трансформаторами, чтобы перейти от другого трехфазного источника питания к существующей однофазной сети . В итоге вместо трансформаторов пришли два твердотельных циклоконвертера . [8]
Ядерная [ править ]
Обычно атомные электростанции используются в качестве базовых станций нагрузки с очень высокой мощностью для подачи энергии в сети. Неккарвестхайм I в Неккарвестхайме - уникальная атомная электростанция, поскольку она оснащена однофазными генераторами высокой мощности для снабжения железной дороги Deutsche Bahn определенным переменным напряжением с частотой 16 2/3 Гц. Вода под давлением реактор транспортной тепловая энергия до двух турбин и генераторов , которые рассчитаны на 187 МВт и 152 МВт. [16]
См. Также [ править ]
- Генератор
- Многофазная катушка
Ссылки [ править ]
- ^ «Инструмент оценки устойчивости гидроэнергетики» (PDF) . E.ON Kraftwerke GmbH. п. 2 . Проверено 4 сентября 2013 года .
- ^ a b c Справочник техника по обслуживанию авиации - общее (FAA-H-8083-30) (PDF) . Федеральная авиационная администрация. 2008. С. 10–130, 10–161 . Проверено 6 сентября 2013 года .
- ^ "Двигатели переменного тока и генераторы" . Министерство обороны США. 1961 . Проверено 5 сентября 2013 года .
- ^ Брумбах, Майкл Э. Промышленное электричество (8-е изд.). Клифтон-Парк, штат Нью-Йорк: Делмар. п. 418. ISBN 9781435483743.
- ^ "Ветряная турбина Endurance E-3120-50 кВт от Endurance Wind Power" . AZoNetwork . 13 мая 2010 . Проверено 20 сентября 2013 года .
- ↑ Forsyth, Trudy (20 мая 2009 г.). «Малая ветровая техника» (PDF) . Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии . Проверено 20 сентября 2013 года .
- ^ a b "Вехи: Гидроэлектростанция Адамса, 1895" . Сеть глобальной истории IEEE . Проверено 12 сентября 2013 года .
- Перейти ↑ Western Electrician, Volume 37 . Издательская компания "Электрик". 1906 г.
- ^ Мочизуки, Asahi (октябрь 2011). «История ускорения JRTR 2, часть 2: ускорение обычных линий и синкансэн» (PDF) . Обзор железных дорог и транспорта Японии (58) . Проверено 12 сентября 2013 года .
- ^ "Железнодорожные электростанции Нью-Йорка" . Сеть глобальной истории IEEE . Проверено 12 сентября 2013 года .
- ^ "Вехи: Гидроэлектростанция Эймса, 1891" . Сеть глобальной истории IEEE . Проверено 21 сентября 2013 года .
- ^ a b "Муниципальная электростанция Сент-Луиса" . Западный электрик . 30 (1-26): 387 . Проверено 21 сентября 2013 года .
- ^ "Электростанция Вальхензее. Технологическая жемчужина в Альпах" (PDF) . e.on Wesserkraft . Проверено 21 сентября 2013 года .
- ^ «Факты и цифры» . Safe Harbor Water Power Corporation . Проверено 21 сентября 2013 года .
- ^ "Неккарвестхайм I darf nicht länger laufen. Bundesumweltministerium lehnt Strommengenübertragung von Block II auf Block I ab" . Федеральное министерство окружающей среды, охраны природы и безопасности ядерных реакторов (Германия) . 12 июня 2008 . Проверено 21 сентября 2013 года .
