Генератор переменного тока — это электрический генератор , который преобразует механическую энергию в электрическую энергию в виде переменного тока . [2] Из соображений стоимости и простоты в большинстве генераторов переменного тока используется вращающееся магнитное поле с неподвижным 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 автомобильными и другими двигателями внутреннего сгорания.
Генератор переменного тока, в котором в качестве магнитного поля используется постоянный магнит , 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]
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 . [ нужна цитата ]
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 было оставлено на усмотрение инженера, умеющего «управлять нагрузкой». [11] В 1883 году компания Ganz Works изобрела генератор постоянного напряжения [12] , который мог производить заданное 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] Более поздние генераторы переменного тока были разработаны 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 беспроводных телеграфных станциях до того, как их заменили передатчики на электронных лампах. [ нужна цитата ]
Проводник, движущийся относительно магнитного поля, развивает в нем электродвижущую силу (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 , намотанных в катушки на железном сердечнике. Поле пересекает проводники, создавая наведенную ЭДС (электродвижущую силу), поскольку механическое воздействие заставляет ротор вращаться. [ нужна цитата ]
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 переменного тока 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 напрямую зависит от скорости генератора. Бесщеточные генераторы переменного тока обычно больше, чем те, которые используются в автомобилях. [ нужна цитата ]
Устройство автоматического контроля напряжения контролирует ток возбуждения, чтобы поддерживать постоянное выходное напряжение. Если выходное напряжение неподвижных катушек якоря падает из-за увеличения спроса, во вращающиеся катушки возбуждения через регулятор напряжения (VR) подается больший ток. Это увеличивает магнитное поле вокруг катушек возбуждения, что индуцирует большее напряжение в катушках якоря. Таким образом, выходное напряжение возвращается к исходному значению. [ нужна цитата ]
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 комплекта статорных обмоток, физически смещенных так, что вращающееся магнитное поле создает трехфазный ток, смещенный на одну треть периода относительно друг друга. [17]
Один цикл переменного тока создается каждый раз, когда пара полюсов поля проходит через точку неподвижной обмотки. Связь между скоростью и частотой равна , где частота в Гц (циклов в секунду). — количество полюсов (2, 4, 6, …) и — скорость вращения в оборотах в минуту (об/мин). Очень старые описания систем переменного тока иногда указывают частоту в числах колебаний в минуту, считая каждый полупериод за одно колебание ; поэтому 12 000 колебаний в минуту соответствуют 100 Гц. [ нужна цитата ]
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:
Генераторы можно классифицировать по способу возбуждения, числу фаз, типу вращения, способу охлаждения и применению. [19]
Существует два основных способа создания магнитного поля, используемого в генераторах переменного тока: использование постоянных магнитов , которые создают собственное постоянное магнитное поле, или использование катушек возбуждения . Генераторы, в которых используются постоянные магниты, называются магнето . [ нужна цитата ]
В других генераторах переменного тока катушки возбуждения образуют электромагнит , создающий вращающееся магнитное поле. [ нужна цитата ]
Устройство, которое использует постоянные магниты для производства переменного тока, называется генератором переменного тока с постоянными магнитами (PMA). Генератор с постоянными магнитами (ГПМ) может производить либо переменный ток, либо постоянный ток, если у него есть коммутатор . [ нужна цитата ]
Этот метод возбуждения заключается в использовании меньшего генератора постоянного тока (DC), закрепленного на одном валу с генератором переменного тока. Генератор постоянного тока генерирует небольшое количество электроэнергии, достаточное для возбуждения катушек 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]
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 генератора переменного тока для генерации более высокого напряжения в рамках процесса его наращивания . После первоначального нарастания переменного напряжения в поле подается выпрямленное напряжение от генератора. [19]
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. Большая из двух секций является главным генератором переменного тока, а меньшая — возбудителем. 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, как описано выше, 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 и, следовательно, выходную мощность генератора. Результатом всего этого является то, что небольшой постоянный ток возбудителя косвенно управляет выходной мощностью главного генератора переменного тока. [21]
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]
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 цитата ]
Многие генераторы переменного тока охлаждаются окружающим воздухом, проходящим через корпус вентилятором, прикрепленным к тому же 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 цитата ]
Большинство электростанций используют в качестве генераторов синхронные машины. Подключение этих генераторов к электросети требует соблюдения условий синхронизации. [23]
Генераторы переменного тока используются в современных автомобилях с двигателями внутреннего сгорания для зарядки аккумулятора и питания электрической системы при работающем двигателе. [ нужна цитата ]
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 цитата ]
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 цитата ]
Тяговый генератор обычно включает в себя встроенные кремниевые диодные выпрямители, обеспечивающие тяговые двигатели напряжением до 1200 В постоянного тока. [ нужна цитата ]
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 цитата ]
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 цитата ]
Морские генераторы переменного тока, используемые на яхтах, аналогичны автомобильным генераторам переменного тока и имеют соответствующую адаптацию к среде соленой воды. Судовые генераторы переменного тока спроектированы взрывобезопасными (с защитой от воспламенения), поэтому искрение от щеток не приведет к воспламенению взрывоопасных газовых смесей 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 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 напряжения зарядки и датчик перегрева на самом генераторе для защиты его от перегрева. [ нужна цитата ]
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 вследствие 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 цитата ]
