Генератор
Генератор переменного тока — это электрический генератор , который преобразует механическую энергию в электрическую энергию в виде переменного тока . [2] По соображениям стоимости и простоты в большинстве генераторов переменного тока используется вращающееся магнитное поле с неподвижным якорем . [3] Иногда линейный генератор переменного тока используют или вращающийся якорь со стационарным магнитным полем. В принципе, любой переменного тока электрический генератор можно назвать генератором переменного тока, но обычно этот термин относится к небольшим вращающимся машинам, приводимым в движение автомобильными и другими двигателями внутреннего сгорания.
Генератор переменного тока, в котором используется постоянный магнит, в качестве магнитного поля называется магнето . Генераторы на электростанциях с приводом от паровых турбин называются турбогенераторами. Большие трехфазные генераторы переменного тока частотой 50 или 60 Гц на электростанциях генерируют большую часть мировой электроэнергии, которая распределяется по электрическим сетям . [4]
История
[ редактировать ]Системы генерации переменного тока в простых формах были известны с момента открытия магнитной индукции электрического тока в 1830-х годах. Вращающиеся генераторы, естественно, производили переменный ток, но, поскольку от него было мало пользы, его обычно преобразовывали в постоянный ток путем добавления коммутатора в генератор. [8] Первые машины были разработаны такими пионерами, 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 Кельвин и Себастьян Ферранти также разработали первые генераторы переменного тока, производящие частоты от 100 до 300 Гц . https://www.reliablebusinessarena.com/traction-alternators-r857616
В конце 1870-х годов были внедрены 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, такие как дуговые лампы Яблочкова, представленные в 1878 году, лучше работали на переменном токе, и разработка этих первых систем генерации переменного тока сопровождалась первым использованием слова «генератор переменного тока». [10] [8] Обеспечение необходимого количества напряжения от электростанций в этих ранних системах оставалось на усмотрение инженера, умеющего «управлять нагрузкой». [11] В 1883 году на заводе Ганца был изобретен генератор постоянного напряжения. [12] который мог бы производить заявленное выходное напряжение независимо от значения фактической нагрузки. [13] Появление трансформаторов в середине 1880-х годов привело к широкому использованию переменного тока и использованию генераторов, необходимых для его производства. [14] После 1891 года были введены многофазные генераторы переменного тока для подачи токов нескольких разных фаз. [15] Позже были разработаны генераторы переменного тока для различных частот переменного тока от шестнадцати до ста герц для использования с дуговым освещением, лампами накаливания и электродвигателями. [16] Специализированные радиочастотные генераторы, такие как генератор Александрсона, были разработаны как длинноволновые радиопередатчики во время Первой мировой войны и использовались на нескольких мощных радиотелеграфных станциях до того, как их заменили передатчики на электронных лампах. [ нужна ссылка ]
Принцип работы
[ редактировать ]Проводник, движущийся относительно магнитного поля, развивает электродвижущую силу в нем (ЭДС) ( закон Фарадея ). Эта ЭДС меняет свою полярность, когда движется под магнитными полюсами противоположной полярности. Обычно вращающийся магнит, называемый ротором , вращается внутри неподвижного набора проводников, называемого статором , намотанным в катушки на железном сердечнике. Поле пересекает проводники, создавая наведенную ЭДС (электродвижущую силу), поскольку механическое воздействие заставляет ротор вращаться. [ нужна ссылка ]
Вращающееся магнитное поле индуцирует переменное напряжение 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 используется обмотка ротора, которая позволяет контролировать генерируемое генератором напряжение путем изменения тока в обмотке возбуждения ротора. Машины с постоянными магнитами исключают потери из-за тока намагничивания в роторе, но имеют ограничения по размеру из-за стоимости материала магнита. Поскольку поле постоянного магнита постоянно, напряжение на клеммах изменяется прямо в зависимости от скорости генератора. Бесщеточные генераторы переменного тока обычно больше, чем те, которые используются в автомобилях. [ нужна ссылка ]
Устройство автоматического контроля напряжения контролирует ток возбуждения, чтобы поддерживать постоянное выходное напряжение. Если выходное напряжение неподвижных катушек якоря падает из-за увеличения спроса, больший ток подается во вращающиеся катушки возбуждения через регулятор напряжения (VR). Это увеличивает магнитное поле вокруг катушек возбуждения, что индуцирует большее напряжение в катушках якоря. Таким образом, выходное напряжение возвращается к исходному значению. [ нужна ссылка ]
Генераторы переменного тока, используемые на центральных электростанциях, также контролируют ток возбуждения, регулируя реактивную мощность и помогая стабилизировать энергосистему от последствий кратковременных неисправностей . Часто имеется три набора статорных обмоток, физически смещенных так, что вращающееся магнитное поле создает трехфазный ток, смещенный на одну треть периода относительно друг друга. [17]
Синхронные скорости
[ редактировать ]Один цикл переменного тока создается каждый раз, когда пара полюсов поля проходит через точку неподвижной обмотки. Связь между скоростью и частотой , где — частота в Гц (циклов в секунду). — количество полюсов (2, 4, 6, …), а — скорость вращения в оборотах в минуту (об/мин). Старые описания систем переменного тока иногда указывают частоту в числах колебаний в минуту, считая каждый полупериод как одно изменение ; поэтому 12 000 колебаний в минуту соответствуют 100 Гц. [ нужна ссылка ]
генератора переменного тока Выходная частота зависит от количества полюсов и скорости вращения. Скорость, соответствующая определенной частоте, называется синхронной скоростью . Эта таблица [18] приводит несколько примеров:
поляки | Скорость вращения (об/мин), дающая… | ||
---|---|---|---|
50 Гц | 60 Гц | 400 Гц | |
2 | 3,000 | 3,600 | 24,000 |
4 | 1,500 | 1,800 | 12,000 |
6 | 1,000 | 1,200 | 8,000 |
8 | 750 | 900 | 6,000 |
10 | 600 | 720 | 4,800 |
12 | 500 | 600 | 4,000 |
14 | 428.6 | 514.3 | 3,429 |
16 | 375 | 450 | 3,000 |
18 | 333.3 | 400 | 2,667 |
20 | 300 | 360 | 2,400 |
40 | 150 | 180 | 1,200 |
Классификации
[ редактировать ]Генераторы переменного тока можно классифицировать по способу возбуждения, числу фаз, типу вращения, способу охлаждения и применению. [19]
По возбуждению
[ редактировать ]Существует два основных способа создания магнитного поля, используемого в генераторах переменного тока: с помощью постоянных магнитов , которые создают постоянное магнитное поле, или с помощью катушек возбуждения . Генераторы, в которых используются постоянные магниты, называются магнето . [ нужна ссылка ]
В других генераторах переменного тока катушки возбуждения образуют электромагнит, создающий вращающееся магнитное поле. [ нужна ссылка ]
Устройство, которое использует постоянные магниты для производства переменного тока, называется генератором переменного тока с постоянными магнитами (PMA). Генератор с постоянными магнитами (ГПМ) может производить как переменный, так и постоянный ток, если у него есть коммутатор . [ нужна ссылка ]
Генератор постоянного тока (DC) с прямым подключением
[ редактировать ]Этот метод возбуждения состоит из меньшего генератора постоянного тока (DC), закрепленного на том же валу, что и генератор переменного тока. Генератор постоянного тока генерирует небольшое количество электроэнергии, которого достаточно, чтобы возбудить катушки возбуждения подключенного генератора переменного тока для выработки электроэнергии. Разновидностью этой системы является тип генератора, который использует постоянный ток от батареи для первоначального возбуждения при запуске, после чего генератор становится самовозбуждающимся. [19]
Трансформация и исправление
[ редактировать ]Этот метод зависит от остаточного магнетизма, сохраняющегося в железном сердечнике, для создания слабого магнитного поля, которое позволяет генерировать слабое напряжение. Это напряжение используется для возбуждения катушек возбуждения, поэтому генератор переменного тока может генерировать более сильное напряжение в рамках процесса наращивания напряжения . После первоначального нарастания переменного напряжения в поле подается выпрямленное напряжение от генератора. [19]
Бесщеточные генераторы
[ редактировать ]Бесщеточный генератор состоит из двух генераторов, соединенных встык на одном валу. До 1966 года в генераторах переменного тока использовались щетки с вращающимся полем. [20] С развитием полупроводниковых технологий стали возможны бесщеточные генераторы переменного тока. Бесщеточные генераторы меньшего размера могут выглядеть как одно целое, но в больших версиях эти две части легко различимы. Главный генератор переменного тока — это большая из двух секций, а меньшая — возбудитель. Возбудитель имеет неподвижные катушки возбуждения и вращающийся якорь (силовые катушки). Главный генератор переменного тока использует противоположную конфигурацию с вращающимся полем и неподвижным якорем. Мостовой выпрямитель , называемый вращающимся выпрямительным узлом, установлен на роторе. Ни щетки, ни контактные кольца не используются, что уменьшает количество изнашиваемых деталей. Главный генератор переменного тока имеет вращающееся поле и неподвижный якорь (обмотки генерации энергии).
Изменение величины тока через катушки возбуждения стационарного возбудителя изменяет трехфазный выходной сигнал возбудителя. Этот выходной сигнал выпрямляется вращающимся выпрямительным узлом, установленным на роторе, и результирующий постоянный ток подает вращающееся поле главного генератора переменного тока и, следовательно, выходную мощность генератора. В результате небольшой ток возбудителя постоянного тока косвенно управляет выходной мощностью главного генератора переменного тока. [21]
По количеству фаз
[ редактировать ]Другой способ классификации генераторов переменного тока — по количеству 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]
По вращающейся части
[ редактировать ]Вращающейся частью генераторов переменного тока может быть якорь или магнитное поле. Тип вращающегося якоря имеет якорь, намотанный на ротор, где обмотка движется через стационарное магнитное поле. Тип вращающейся арматуры используется нечасто. [19] Тип с вращающимся полем имеет магнитное поле на роторе, вращающееся через неподвижную обмотку якоря. Преимущество состоит в том, что тогда цепь ротора передает гораздо меньшую мощность, чем цепь якоря, что делает соединения контактных колец меньшего размера и менее дорогостоящими; Для ротора постоянного тока необходимы только два контакта, тогда как часто обмотка ротора имеет три фазы и несколько секций, каждая из которых требует соединения контактных колец. 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. [ нужна ссылка ]
Методы охлаждения
[ редактировать ]Многие генераторы переменного тока охлаждаются окружающим воздухом, нагнетаемым через корпус вентилятором, прикрепленным к валу, который приводит в движение генератор. В транспортных средствах, таких как транзитные автобусы, высокая нагрузка на электрическую систему может потребовать установки большого генератора переменного тока с масляным охлаждением. [22] В морских применениях также используется водяное охлаждение. В дорогих автомобилях могут использоваться генераторы переменного тока с водяным охлаждением для удовлетворения высоких требований к электрической системе. [ нужна ссылка ]
Конкретные приложения
[ редактировать ]Электрические генераторы
[ редактировать ]Большинство электростанций используют в качестве генераторов синхронные машины. Подключение этих генераторов к электросети требует выполнения условий синхронизации. [23]
Автомобильные генераторы переменного тока
[ редактировать ]Генераторы используются в современных с двигателями внутреннего сгорания автомобилях для зарядки аккумулятора и питания электрической системы при работающем двигателе. [ нужна ссылка ]
До 1960-х годов в автомобилях использовались динамо- генераторы постоянного тока с коммутаторами . При наличии доступных выпрямителей с кремниевыми диодами вместо них использовались генераторы переменного тока. [ нужна ссылка ]
Генераторы для дизель-электрических локомотивов
[ редактировать ]В более поздних дизель-электрических локомотивах и дизель-электрических поездах первичный двигатель вращает генератор переменного тока, который обеспечивает электричеством тяговые двигатели (переменного или постоянного тока). [ нужна ссылка ]
Тяговый генератор обычно включает в себя встроенные кремниевые диодные выпрямители, обеспечивающие тяговые двигатели напряжением до 1200 В постоянного тока. [ нужна ссылка ]
Первые дизель-электровозы, многие из которых до сих пор находятся в эксплуатации, используют генераторы постоянного тока, поскольку до появления кремниевой силовой электроники было легче контролировать скорость тяговых двигателей постоянного тока. Большинство из них имели два генератора: один для генерации тока возбуждения для более крупного основного генератора. [ нужна ссылка ]
Опционально генератор также обеспечивает мощность головного узла (HEP) или мощность для обогрева электропоезда . Опция HEP требует постоянной скорости вращения двигателя, обычно 900 об/мин для применения HEP 480 В, 60 Гц, даже когда локомотив не движется. [ нужна ссылка ]
Морские генераторы переменного тока
[ редактировать ]Морские генераторы переменного тока, используемые на яхтах, аналогичны автомобильным генераторам переменного тока с соответствующей адаптацией к среде соленой воды. Судовые генераторы переменного тока спроектированы так, чтобы быть взрывозащищенными (с защитой от воспламенения), поэтому искрение от щеток не приведет к воспламенению взрывоопасных газовых смесей в машинном отделении. В зависимости от типа установленной системы они могут составлять 12 или 24 Вольта. Более крупные морские дизели могут иметь два или более генератора переменного тока, чтобы удовлетворить большие потребности современной яхты в электроэнергии. В цепях с одним генератором переменного тока мощность может быть разделена между пусковой батареей двигателя и бытовой батареей (или батареями) с помощью диода с разделенным зарядом ( изолятор батареи ) или реле, чувствительного к напряжению. Из-за высокой стоимости больших аккумуляторных батарей в морских генераторах обычно используются внешние регуляторы. Многоступенчатые регуляторы контролируют ток возбуждения, чтобы максимизировать эффективность зарядки (время зарядки) и срок службы батареи. Многоступенчатые регуляторы можно запрограммировать для разных типов аккумуляторов. Можно добавить два датчика температуры: один для аккумулятора для регулировки зарядного напряжения и датчик перегрева на самом генераторе для защиты его от перегрева. [ нужна ссылка ]
Авиация
[ редактировать ]Радиогенераторы
[ редактировать ]Высокочастотные генераторы переменного тока с переменным сопротивлением нашли промышленное применение для радиопередачи в низкочастотных радиодиапазонах. Они использовались для передачи азбуки Морзе и, экспериментально, для передачи голоса и музыки. В генераторе переменного тока Александерсона и обмотка возбуждения, и обмотка якоря неподвижны, а ток индуцируется в якоре за счет изменения магнитного сопротивления ротора (который не имеет обмоток или токоведущих частей). Такие машины предназначались для производства радиочастотного тока для радиопередач, хотя эффективность была низкой. [ нужна ссылка ]
См. также
[ редактировать ]- Бутылочная динамо-машина
- Динамо
- Электрический генератор
- Двигатель-генератор
- Генератор с переключением потока
- Государственный исторический парк Фолсом Пауэрхаус
- Ступичная динамо-машина
- Индукционный генератор
- Динамо Джедлика
- Линейный генератор переменного тока
- Магнето
- Многофазная катушка
- Генератор с вращающимся якорем
- Однофазный генератор
Ссылки
[ редактировать ]- ^ «Авраам Ганц в Гиндукуше» . Поэмы Рио Ванга . Студиялум. Архивировано из оригинала 11 февраля 2016 года . Проверено 30 сентября 2015 г.
- ^ Эйлмер-Смолл, Сидней (1908). «Урок 28: Генераторы» . Электрические железные дороги; или «Электричество применительно к железнодорожному транспорту» . Чикаго: Фредерик Дж. Дрейк и компания, стр. 456–463.
- ^ Jump up to: а б Гордон Р. Селмон, Магнитоэлектрические устройства , John Wiley and Sons, 1966, без ISBN, стр. 391–393.
- ^ «Список вилок/розеток и напряжений в разных странах» . Мировые стандарты . Мировые стандарты.
- ^ Д. М. Мэттокс, Основы технологии вакуумного нанесения покрытий, стр. 39
- ^ «Чарльз К. Бриттон, первая электростанция в Колорадо» (PDF) . Журнал Колорадо . Том. 49, нет. 3. Лето 1972. с. 185. Архивировано из оригинала (PDF) 28 июля 2016 года . Проверено 15 августа 2016 г.
- ^ «Вехи: гидроэлектростанция Эймса, 1891 год» . Сеть глобальной истории IEEE . ИИЭЭ . Проверено 29 июля 2011 г.
- ^ Jump up to: а б Кристофер Купер, Правда о Тесле: миф об одиноком гении в истории инноваций, Quarto Publishing Group USA – 2015, стр. 93.
- ^ Томпсон, Сильванус П., Динамо-электрическое оборудование . п. 7.
- ↑ Джилл Джоннес, Империи света: Эдисон, Тесла, Вестингауз и гонка за электрификацию мира, Random House – 2004, стр. 47
- ^ Дональд Скотт Макпартленд, Почти Эдисон: как Уильям Сойер и другие проиграли гонку за электрификацией, ProQuest – 2006, стр. 135
- ^ Американское общество инженерного образования (1995). Труды, часть 2 . п. 1848.
- ^ Роберт Л. Либби (1991). Справочник по схемотехнике для технических инженеров . ЦРК Пресс . п. 22. ISBN 9780849374005 .
- ^ Томпсон, Сильванус П. «Вехи: электрификация переменного тока, 1886 г.» . Сеть глобальной истории IEEE . Проверено 22 сентября 2013 г.
- ^ Томпсон, Сильванус П., Динамо-электрическое оборудование . стр. 17
- ^ Томпсон, Сильванус П., Динамо-электрическое оборудование . стр. 16
- ^ Б.М. Види. Электроэнергетические системы, второе издание , Джон Уайли и сыновья, 1972 г., ISBN 0 471 92445 8 , с. 141
- ^ Ежегодник электротехники 1937 года, опубликованный Emott & Co. Ltd., Манчестер, Англия, стр. 72.
- ^ Jump up to: а б с д и Справочник для технического специалиста по техническому обслуживанию авиации — общий (FAA-H-8083-30) (PDF) . Федеральное управление гражданской авиации. 2008. С. 10_160–10_161. Архивировано из оригинала (PDF) 6 сентября 2013 года . Проверено 6 сентября 2013 г.
- ^ «Камминз Генераторные Технологии» . Stamford-avk.com . Генераторные технологии Камминз . Проверено 18 августа 2022 г.
- ^ Г. К. Дубей, Основы электропривода , CRC Press, 2002, ISBN 084932422X , стр. 350
- ^ Гас Райт, Основы дизельных двигателей средней и большой мощности , Jones & Bartlett Publishers, 2015, ISBN 128406705X стр. 1233
- ^ Мягкая синхронизация рассредоточенных генераторов с микросетями для приложений интеллектуальных сетей.
Внешние ссылки
[ редактировать ]- Уайт, Томас Х., « Разработка генератора-передатчика (1891–1920) ». EarlyRadioHistory.us.
- Генераторы в Integrated Publishing (TPub.com)
- Деревянный генератор переменного тока с низкими оборотами , ForceField, Форт-Коллинз, Колорадо, США
- Понимание трехфазных генераторов переменного тока на WindStuffNow
- Генератор, дуга и искра. Первые беспроводные передатчики (домашняя страница G0UTY)