Генератор - Alternator

Генератор изготовлен в 1909 г. Ганц Работы в энергетическом зале русского гидроэлектростанция станция (фотография сделана Прокудин-Горский, 1911).[1]

An генератор является электрический генератор что обращает механическая энергия к электроэнергия в виде переменный ток.[2] По соображениям стоимости и простоты в большинстве генераторов используется вращающийся магнитное поле со стационарным арматура.[3] Иногда линейный генератор или используется вращающийся якорь со стационарным магнитным полем. В принципе любой AC электрический генератор можно назвать генератором переменного тока, но обычно этот термин относится к небольшим вращающимся машинам, приводимым в движение автомобильный и другие двигатели внутреннего сгорания.

Генератор, использующий постоянный магнит для своего магнитное поле называется магнето. Генераторы в энергостанции которую вел паровые турбины называются турбогенераторы. Большой 50 или 60 Гц трехфазный генераторы в электростанции производят большую часть мировой электроэнергии, которая распределяется электрические сети.[4]

История

То, что считается первым промышленным применением переменного тока в 1891 году, рабочие позируют с генератором переменного тока Westinghouse на Гидроэлектростанция 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 магнитная индукция электрического тока в 1830-х гг. Вращающиеся генераторы, естественно, производили переменный ток, но, поскольку от него было мало пользы, его обычно преобразовывали в постоянный ток путем добавления коммутатор в генераторе.[8] Первые машины были разработаны такими пионерами, как Майкл Фарадей и Ипполит Пиксий. Фарадей разработал «вращающийся прямоугольник», действие которого было гетерополярный - каждый активный проводник последовательно проходил через области, где магнитное поле было в противоположных направлениях.[9] Лорд Кельвин и Себастьян Ферранти также разработали ранние генераторы переменного тока с частотой от 100 до 300 Гц.

В конце 1870-х годов были введены первые крупные электрические системы с центральными генерирующими станциями. Дуговые лампы, используется для освещения целых улиц, заводских дворов или интерьера больших складов. Некоторые, например Дуговые лампы Яблочкова представленный в 1878 году, лучше работал на переменном токе, и развитие этих ранних систем генерации переменного тока сопровождалось 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 г. Ганц Работы изобрел генератор постоянного напряжения[12] которое может обеспечить указанное выходное напряжение независимо от значения фактической нагрузки.[13] Вступление к трансформаторы в середине 1880-х годов привело к широкому использованию переменного тока и генераторов переменного тока, необходимых для его производства.[14] После 1891 г. многофазный были введены генераторы переменного тока для питания 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 дуговой подсветкой, лампами накаливания и электродвигателями.[16] Специализированные радиочастотные генераторы, такие как Генератор Alexanderson были разработаны как длинноволновый радиопередатчики во время Первой мировой войны и использовались в нескольких мощных беспроводной телеграф станции до того, как их заменили ламповые передатчики.

Принцип действия

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

В проводнике, движущемся относительно магнитного поля, возникает электродвижущая сила (ЭДС) в нем (Закон Фарадея ). Эта ЭДС меняет свою полярность, когда она движется под магнитными полюсами противоположной полярности. Обычно вращающийся магнит, называемый ротор витков в стационарном наборе проводников, намотанных катушками на железном сердечнике, называемых статор. Поле пересекает проводники, создавая наведенную ЭДС (электродвижущую силу), поскольку механический вход заставляет ротор вращаться.

В вращающееся магнитное поле вызывает 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 регулировать напряжение, генерируемое 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 от неподвижных катушек якоря падает из-за увеличения нагрузки, больше тока подается во вращающиеся катушки возбуждения через регулятор напряжения (VR). Это увеличивает магнитное поле вокруг катушек возбуждения, что вызывает большее напряжение в катушках якоря. Таким образом, выходное напряжение возвращается к исходному значению.

Генераторы, используемые в центральных энергостанции также контролировать ток возбуждения для регулирования Реактивная сила и помочь стабилизировать энергосистему от воздействия кратковременных недостатки. Часто имеется три набора обмоток статора, физически смещенных, так что вращающееся магнитное поле создает трехфазный тока, смещенные на треть периода относительно друг друга.[17]

Синхронные скорости

Один цикл переменного тока создается каждый раз, когда пара полюсов возбуждения проходит через точку на неподвижной обмотке. Связь между скоростью и частотой , куда - частота в Гц (циклов в секунду). количество полюсов (2, 4, 6,…) и это скорость вращения в число оборотов в минуту (об / мин). Очень старые описания переменный ток системы иногда указывают частоту в единицах чередования в минуту, считая каждый полупериод как один чередование; Таким образом, 12 000 полуколебаний в минуту соответствуют 100 Гц.

Выход частота генератора переменного тока зависит от количества полюсов и скорости вращения. Скорость, соответствующая определенной частоте, называется синхронная скорость для этой частоты. Этот стол[18] приводит несколько примеров:

ПолякиСкорость вращения (об / мин), дающая…
50 Гц60 Гц400 Гц
23,0003,60024,000
41,5001,80012,000
61,0001,2008,000
87509006,000
106007204,800
125006004,000
14428.6514.33,429
163754503,000
18333.34002,667
203003602,400
401501801,200

Классификации

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

По возбуждению

Существует два основных способа создания магнитного поля, используемого в генераторах переменного тока, с помощью постоянные магниты которые создают собственное постоянное магнитное поле или с помощью катушки возбуждения. Генераторы, использующие постоянные магниты, специально называются магнето.

В других генераторах обмотки возбуждения образуют электромагнит для создания вращающегося магнитного поля.

Устройство, которое использует постоянные магниты для производства переменного тока, называется генератором с постоянными магнитами (PMA). Генератор с постоянным магнитом (PMG) может производить как переменный, так и постоянный ток, если он имеет коммутатор.

Генератор постоянного тока с прямым подключением

Этот способ возбуждения состоит из меньшего постоянный ток Генератор постоянного тока закреплен на одном валу с генератором переменного тока. Генератор постоянного тока вырабатывает небольшое количество электроэнергии, достаточное для возбуждать катушки возбуждения подключенного генератора переменного тока для выработки электроэнергии. 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

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 полевых катушек генератора переменного тока, чтобы генерировать более сильное напряжение как часть его построить процесс. После начального нарастания переменного напряжения в поле подается выпрямленное напряжение от генератора.[19]

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.[20] С развитием полупроводниковой технологии стали возможны бесщеточные генераторы переменного тока. Бесщеточные генераторы меньшего размера могут выглядеть как одно целое, но в 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. А мостовой выпрямитель, называемый вращающимся выпрямительным блоком, 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 возникающий в результате постоянный ток питает вращающееся поле главного генератора переменного тока и, следовательно, выходного сигнала генератора. Результатом всего этого является то, что небольшой постоянный ток возбудителя косвенно управляет выходной мощностью главного генератора переменного тока.[21]

По количеству фаз

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 и более.[19]

Путем вращения части

Вращающаяся часть генераторов может быть арматура или магнитное поле. Якорь вращающегося типа имеет якорь, намотанный на ротор, где обмотка движется через стационарное магнитное поле. Тип якоря револьверный применяется нечасто.[19] 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 скольжения кольцо подключения 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 контактного кольца. Стационарный якорь можно намотать на любой удобный уровень среднего напряжения, до десятков тысяч вольт; изготовление 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 подключенного вентилятора на том же валу, который приводит в движение генератор. В транспортных средствах, таких как транзитные автобусы, 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

Электрические генераторы

Дальнейшая информация: Электрический генератор

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

Автомобильные генераторы

Дальнейшая информация: Генератор (автомобильный)
Генератор установлен на автомобильном двигателе с змеиный пояс шкив (ремень отсутствует.)

Генераторы используются в современных автомобили зарядить аккумулятор и для питания электрической системы, когда она двигатель бежит.

До 1960-х годов автомобили использовали DC. динамо генераторы с коммутаторы. При наличии доступного кремниевый диод вместо них использовались выпрямители, генераторы.

Генераторы для тепловозов и электровозов

Позже тепловозы и дизель-электрические агрегаты, то первичный двигатель включает генератор, который обеспечивает электричеством тяговые двигатели (Переменного или постоянного тока).

Тяговый генератор переменного тока 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.

Опционально генератор также поставляет мощность головной части (HEP) или мощность для обогрев электропоездов. 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 предназначены для взрывобезопасный так, чтобы искра щетки не воспламенила 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 в электроэнергии современной яхты. В цепях с одним генератором мощность может быть разделена между пусковой батареей двигателя и домашней или домашней батареей (или батареями) с помощью разделенный диод (аккумуляторный изолятор ) или реле, чувствительное к напряжению.

Генераторы для радио

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

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ "Авраам Ганц на Гиндукуше". Поэмы дель Рио Ван. Студиол. Архивировано из оригинал 11 февраля 2016 г.. Получено 30 сентября 2015.
  2. ^ Эйлмер-Смолл, Сидней (1908). «Урок 28: Генераторы». Электрические железные дороги; или Электроэнергия применительно к железнодорожному транспорту. Чикаго: Фредерик Дж. Дрейк и Ко, стр. 456–463.
  3. ^ а б 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. ^ Д. М. Маттокс, Основы технологии вакуумного нанесения покрытий, стр. 39
  6. ^ "ЧАРЛЬЗ С. БРИТТОН, Ранняя электроэнергетическая установка в Колорадо, журнал Colorado Magazine v49n3, лето 1972 г., стр. 185" (PDF). Архивировано из оригинал (PDF) 28 июля 2016 г.. Получено 15 августа 2016.
  7. ^ "Вехи: гидроэлектростанция Эймса, 1891 год". Сеть глобальной истории IEEE. IEEE. Получено 29 июля 2011.
  8. ^ а б 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. ^ Джилл Джоннес, Империи света: Эдисон, Тесла, Вестингауз и гонка за электричество мира, 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 год". Сеть глобальной истории IEEE. Получено 22 сентября 2013.
  15. ^ Томпсон, Сильванус П., Динамо-электрические машины. стр.17
  16. ^ Томпсон, Сильванус П., Динамо-электрические машины. стр.16
  17. ^ Б. М. Уиди. Электроэнергетические системы, второе издание, Джон Уайли и сыновья, 1972 г., ISBN  0 471 92445 8, п. 141
  18. ^ Электрический ежегодник 1937 года, изданный Emmott & Co. Ltd., Манчестер, Англия, стр. 72
  19. ^ а б c d е Справочник техника по обслуживанию авиации - общее (FAA-H-8083-30) (PDF). Федеральная авиационная администрация. 2008. С. 10_160–10_161. Архивировано из оригинал (PDF) 6 сентября 2013 г.. Получено 6 сентября 2013.
  20. ^ "Cummins Generator Technologies | СТАМФОРД | AvK". www.stamford-avk.com. Получено 27 ноября 2019.
  21. ^ Г. К. Дубей, Основы электрических приводов, CRC Press, 2002, ISBN  084932422X, стр. 350
  22. ^ Гас Райт, Основы дизельных двигателей для средних и тяжелых условий эксплуатации, Jones & Bartlett Publishers, 2015 г., ISBN  128406705X стр. 1233
  23. ^ Мягкая синхронизация рассредоточенных генераторов с микросетями для приложений умных сетей

внешняя ссылка