В производстве электроэнергии генератор [1] представляет собой устройство, преобразующее энергию движения ( потенциальную и кинетическую энергию ) или энергию топлива ( химическую энергию ) в электрическую энергию для использования во внешней цепи . Источниками механической энергии являются паровые турбины , газовые турбины , водяные турбины , двигатели внутреннего сгорания , ветряные турбины и даже ручные кривошипы . Первый электромагнитный генератор, диск Фарадея , был изобретен в 1831 году британским ученым Майклом Фарадеем . Генераторы обеспечивают почти всю мощность для электрических сетей .
Помимо конструкций, работающих на электричестве и движении, для выработки электроэнергии используются фотоэлектрические и топливные элементы , соответственно, для генерации электроэнергии.
Обратное преобразование электрической энергии в механическую осуществляется электродвигателем , а двигатели и генераторы очень похожи. Многие двигатели могут вырабатывать электричество из механической энергии.
Электромагнитные генераторы делятся на две основные категории: динамо-машины и генераторы переменного тока.
Механически генератор состоит из вращающейся части и неподвижной части, которые вместе образуют магнитную цепь :
Одна из этих частей генерирует магнитное поле, другая имеет проволочную обмотку, в которой изменяющееся поле индуцирует электрический ток:
В зависимости от конструкции якорь может располагаться либо на роторе, либо на статоре, а катушка возбуждения или магнит — на другой части.
До того, как была открыта связь между магнетизмом и электричеством , были изобретены электростатические генераторы . Они работали на электростатических принципах, используя движущиеся электрически заряженные ленты, пластины и диски, которые переносили заряд к электроду с высоким потенциалом. Заряд генерировался с использованием одного из двух механизмов: электростатической индукции или трибоэлектрического эффекта . Такие генераторы генерировали очень высокое напряжение и низкий ток . Из-за своей неэффективности и сложности изоляции машин, которые производили очень высокое напряжение, электростатические генераторы имели низкие номинальные мощности и никогда не использовались для генерации коммерчески значимых количеств электроэнергии. Их единственным практическим применением было питание ранних рентгеновских трубок , а затем и некоторых ускорителей атомных частиц .
Принцип действия электромагнитных генераторов был открыт в 1831–1832 годах Майклом Фарадеем . Принцип, позже названный законом Фарадея , заключается в том, что в электрическом проводнике, который окружает переменный магнитный поток , генерируется электродвижущая сила .
Фарадей также построил первый электромагнитный генератор, названный диском Фарадея ; тип униполярного генератора , использующий медный диск, вращающийся между полюсами подковообразного магнита . Он вырабатывал небольшое постоянное напряжение .
Эта конструкция была неэффективна из-за самокомпенсирующихся встречных токов тока в областях диска, которые не находились под влиянием магнитного поля. В то время как ток индуцировался непосредственно под магнитом, ток циркулировал бы в обратном направлении в областях, которые находились вне влияния магнитного поля. Этот встречный поток ограничивал выходную мощность на провода датчика и вызывал ненужный нагрев медного диска. Более поздние униполярные генераторы решили бы эту проблему, используя массив магнитов, расположенных по периметру диска, чтобы поддерживать устойчивый эффект поля в одном направлении потока тока.
Другим недостатком было то, что выходное напряжение было очень низким из-за единственного пути тока через магнитный поток. Экспериментаторы обнаружили, что использование нескольких витков провода в катушке может производить более высокие, более полезные напряжения. Поскольку выходное напряжение пропорционально количеству витков, генераторы можно было легко спроектировать для получения любого желаемого напряжения, изменяя количество витков. Проволочные обмотки стали основной особенностью всех последующих конструкций генераторов.
Независимо от Фарадея, Аньош Джедлик начал экспериментировать в 1827 году с электромагнитными вращающимися устройствами, которые он назвал электромагнитными самороторами . В прототипе однополюсного электрического стартера (законченного между 1852 и 1854 годами) как неподвижные, так и вращающиеся части были электромагнитными. Это было также открытием принципа самовозбуждения динамо , [2] который заменил конструкции с постоянными магнитами. Он также, возможно, сформулировал концепцию динамо в 1861 году (до Сименса и Уитстона ), но не запатентовал ее, поскольку считал, что не был первым, кто это осознал. [3]
Катушка проволоки, вращающаяся в магнитном поле, производит ток, который меняет направление с каждым поворотом на 180°, переменный ток (AC). Однако многие ранние применения электричества требовали постоянного тока (DC). В первых практических электрических генераторах, называемых динамо-машинами , переменный ток преобразовывался в постоянный ток с помощью коммутатора , набора вращающихся контактов переключателя на валу якоря. Коммутатор менял соединение обмотки якоря с цепью каждые 180° поворота вала, создавая пульсирующий постоянный ток. Одна из первых динамо-машин была построена Ипполитом Пикси в 1832 году.
Динамо -машина была первым электрическим генератором, способным вырабатывать электроэнергию для промышленности. Электрогенератор Woolrich 1844 года, который сейчас находится в Thinktank, Бирмингемском научном музее , является самым ранним электрическим генератором, использовавшимся в промышленном процессе. [4] Он использовался фирмой Elkingtons для коммерческой гальванизации . [5] [6] [7]
Современную динамо-машину, пригодную для использования в промышленных целях, независимо друг от друга изобрели сэр Чарльз Уитстон , Вернер фон Сименс и Сэмюэл Альфред Варли . Варли получил патент 24 декабря 1866 года, а Сименс и Уитстон объявили о своих открытиях 17 января 1867 года, причем последний представил доклад о своем открытии Королевскому обществу .
«Динамоэлектрическая машина» использовала самопитающиеся катушки электромагнитного поля вместо постоянных магнитов для создания поля статора. [8] Конструкция Уитстона была похожа на конструкцию Сименса, с той разницей, что в конструкции Сименса электромагниты статора были последовательно с ротором, а в конструкции Уитстона они были параллельны. [9] Использование электромагнитов вместо постоянных магнитов значительно увеличило выходную мощность динамо и впервые позволило производить большую мощность. Это изобретение привело непосредственно к первому крупному промышленному использованию электроэнергии. Например, в 1870-х годах Сименс использовал электромагнитные динамо для питания электродуговых печей для производства металлов и других материалов.
Разработанная динамо-машина состояла из неподвижной структуры, которая обеспечивала магнитное поле, и набора вращающихся обмоток, которые вращались внутри этого поля. В более крупных машинах постоянное магнитное поле обеспечивалось одним или несколькими электромагнитами, которые обычно называются полевыми катушками.
Большие динамо-генераторы электроэнергии теперь редко встречаются из-за почти повсеместного использования переменного тока для распределения электроэнергии. До принятия переменного тока очень большие динамо-генераторы постоянного тока были единственным средством генерации и распределения электроэнергии. Переменный ток стал доминировать из-за способности переменного тока легко преобразовываться в очень высокое напряжение и обратно, что позволяет снизить потери на больших расстояниях.
.jpg/1280px-Ferranti_two-phase_generator_set_(Rankin_Kennedy,_Electrical_Installations,_Vol_III,_1903).jpg)
Благодаря серии открытий, динамо сменилось многими более поздними изобретениями, особенно генератором переменного тока , который был способен генерировать переменный ток . Обычно его называют синхронными генераторами (СГ). Синхронные машины напрямую подключены к сети и должны быть правильно синхронизированы во время запуска. [10] Более того, они возбуждаются специальным управлением для повышения стабильности энергосистемы. [11]
Системы генерации переменного тока были известны в простых формах со времен открытия Майклом Фарадеем магнитной индукции электрического тока . Сам Фарадей построил ранний генератор переменного тока. Его машина представляла собой «вращающийся прямоугольник», работа которого была гетерополярной : каждый активный проводник последовательно проходил через области, где магнитное поле было в противоположных направлениях. [12]
Большие двухфазные генераторы переменного тока были построены британским электриком Дж. Э. Г. Гордоном в 1882 году. Первая публичная демонстрация «системы генератора» была проведена Уильямом Стэнли-младшим , сотрудником Westinghouse Electric в 1886 году. [13]
Себастьян Зиани де Ферранти основал Ferranti, Thompson and Ince в 1882 году, чтобы продавать свой генератор переменного тока Ferranti-Thompson , изобретенный с помощью известного физика лорда Кельвина . [14] Его ранние генераторы переменного тока производили частоты от 100 до 300 Гц . Ферранти продолжил проектировать электростанцию Дептфорд для London Electric Supply Corporation в 1887 году, используя систему переменного тока. После завершения строительства в 1891 году это была первая по-настоящему современная электростанция, поставляющая высоковольтную электроэнергию переменного тока, которая затем «понижалась» для использования потребителями на каждой улице. Эта базовая система используется и сегодня во всем мире.
После 1891 года были введены многофазные генераторы переменного тока для подачи токов нескольких различных фаз. [15] Позднее генераторы переменного тока были разработаны для изменения частоты переменного тока от шестнадцати до примерно ста герц для использования с дуговым освещением, лампами накаливания и электродвигателями. [16]
По мере того, как требования к более масштабной генерации электроэнергии росли, возникло новое ограничение: магнитные поля, доступные от постоянных магнитов. Отвод небольшого количества энергии, вырабатываемой генератором, в катушку электромагнитного поля позволял генератору вырабатывать существенно больше энергии. Эта концепция получила название самовозбуждения .
Катушки возбуждения соединены последовательно или параллельно с обмоткой якоря. Когда генератор впервые начинает вращаться, небольшое количество остаточного магнетизма, присутствующее в железном сердечнике, обеспечивает магнитное поле для его запуска, генерируя небольшой ток в якоре. Он протекает через катушки возбуждения, создавая большее магнитное поле, которое генерирует больший ток якоря. Этот процесс «бутстрапа» продолжается до тех пор, пока магнитное поле в сердечнике не выровняется из-за насыщения , и генератор не достигнет устойчивой выходной мощности.
Очень крупные генераторы электростанций часто используют отдельный меньший генератор для возбуждения катушек поля большего. В случае серьезного широкомасштабного отключения электроэнергии , когда произошло изолирование электростанций, станциям может потребоваться выполнить черный запуск для возбуждения полей своих самых крупных генераторов, чтобы восстановить подачу электроэнергии клиентам.
Динамо использует коммутаторы для получения постоянного тока. Оно самовозбуждающееся , т.е. его полевые электромагниты питаются от собственного выхода машины. Другие типы генераторов постоянного тока используют отдельный источник постоянного тока для питания своих полевых магнитов.
Униполярный генератор — это электрический генератор постоянного тока , состоящий из электропроводящего диска или цилиндра, вращающегося в плоскости, перпендикулярной однородному статическому магнитному полю. Между центром диска и ободом (или концами цилиндра) создается разность потенциалов, причем электрическая полярность зависит от направления вращения и ориентации поля.
Он также известен как униполярный генератор , ациклический генератор , дисковый динамо или диск Фарадея . Напряжение обычно низкое, порядка нескольких вольт в случае небольших демонстрационных моделей, но большие исследовательские генераторы могут выдавать сотни вольт, а некоторые системы имеют несколько генераторов последовательно для получения еще большего напряжения. [17] Они необычны тем, что могут вырабатывать огромный электрический ток, некоторые более миллиона ампер , потому что униполярный генератор можно сделать с очень низким внутренним сопротивлением.
Магнитогидродинамический генератор напрямую извлекает электроэнергию из движущихся горячих газов через магнитное поле, без использования вращающихся электромагнитных машин. МГД-генераторы были изначально разработаны, поскольку выходом плазменного МГД-генератора является пламя, хорошо подходящее для нагрева котлов паровой электростанции . Первым практическим проектом был AVCO Mk. 25, разработанный в 1965 году. Правительство США финансировало существенную разработку, кульминацией которой стала демонстрационная установка мощностью 25 МВт в 1987 году. В Советском Союзе с 1972 года до конца 1980-х годов МГД-установка U 25 находилась в регулярной эксплуатации в Московской энергосистеме с номинальной мощностью 25 МВт, самой большой номинальной мощностью МГД-установки в мире на тот момент. [18] МГД-генераторы, работающие в качестве дополнительного цикла, в настоящее время (2007) менее эффективны, чем газовые турбины с комбинированным циклом .
Асинхронные двигатели переменного тока могут использоваться в качестве генераторов, превращая механическую энергию в электрический ток. Асинхронные генераторы работают, механически вращая свой ротор быстрее, чем синхронная скорость, давая отрицательное скольжение. Обычный несинхронный двигатель переменного тока обычно может использоваться в качестве генератора, без каких-либо изменений в его частях. Асинхронные генераторы полезны в таких приложениях, как мини-гидроэлектростанции, ветряные турбины или для снижения давления газовых потоков высокого давления, поскольку они могут восстанавливать энергию с помощью относительно простых элементов управления. Им не требуется другая цепь для начала работы, поскольку вращающееся магнитное поле обеспечивается индукцией от того, которое у них есть. Им также не требуется оборудование регулятора скорости, поскольку они по своей сути работают на частоте подключенной сети.
Асинхронный генератор должен питаться опережающим напряжением; обычно это осуществляется путем подключения к электросети или путем питания с помощью фазокорректирующих конденсаторов.
В простейшей форме линейного электрического генератора скользящий магнит движется вперед и назад через соленоид , медный провод или катушку. Переменный ток индуцируется в проводе или витках провода по закону индукции Фарадея каждый раз, когда магнит скользит. Этот тип генератора используется в фонарике Фарадея . Более крупные линейные генераторы электроэнергии используются в схемах волновой энергии .
Генераторы, подключенные к сети, вырабатывают электроэнергию с постоянной частотой. Для генераторов синхронного или индукционного типа скорость вращения первичного двигателя, вращающего вал генератора, должна быть определенной (или иметь узкий диапазон скоростей) для выработки электроэнергии с требуемой частотой сети. Механические устройства регулирования скорости могут тратить значительную часть входной энергии на поддержание требуемой фиксированной частоты.
В случаях, когда нецелесообразно или нежелательно жестко регулировать скорость первичного двигателя, в качестве генераторов могут использоваться электромашины с двойным питанием . С помощью силовых электронных устройств они могут регулировать выходную частоту до желаемого значения в более широком диапазоне скоростей вращения вала генератора. В качестве альтернативы можно использовать стандартный генератор без попытки регулировать частоту, а полученную мощность преобразовывать в желаемую выходную частоту с помощью комбинации выпрямителя и преобразователя. Разрешение более широкого диапазона скоростей первичного двигателя может улучшить общую выработку энергии установкой за счет более сложных генераторов и элементов управления. Например, там, где ветряная турбина, работающая на фиксированной частоте, может потребоваться для сброса энергии при высоких скоростях ветра, система с переменной скоростью может позволить рекуперацию энергии, содержащейся в периоды высокой скорости ветра.
Электростанция , также известная как электростанция или электростанция , а иногда и генерирующая станция или генераторный завод , представляет собой промышленное предприятие, которое вырабатывает электроэнергию . Большинство электростанций содержат один или несколько генераторов или прядильных машин, преобразующих механическую энергию в трехфазную электрическую энергию . Относительное движение между магнитным полем и проводником создает электрический ток . Источник энергии, используемый для вращения генератора, сильно различается. Большинство электростанций в мире сжигают ископаемое топливо, такое как уголь , нефть и природный газ , для выработки электроэнергии. Более чистые источники включают ядерную энергию и все чаще используют возобновляемые источники, такие как солнце , ветер , волны и проточная вода .
Автомобили требуют электроэнергию для питания своих приборов, поддержания работы самого двигателя и подзарядки аккумуляторов. Примерно до 1960-х годов автомобили, как правило, использовали генераторы постоянного тока (динамо-машины) с электромеханическими регуляторами. Следуя исторической тенденции, описанной выше, и по многим из тех же причин, теперь они были заменены генераторами переменного тока со встроенными выпрямительными цепями.
Велосипедам требуется энергия для питания ходовых огней и другого оборудования. На велосипедах используются два распространенных типа генераторов: бутылочные динамо-машины, которые по мере необходимости подключаются к шине велосипеда, и динамо-машины со втулкой , которые напрямую присоединяются к трансмиссии велосипеда. Название условное, поскольку они представляют собой небольшие генераторы переменного тока с постоянными магнитами, а не самовозбуждающиеся машины постоянного тока, как динамо-машины . Некоторые электровелосипеды способны к рекуперативному торможению , когда приводной двигатель используется в качестве генератора для рекуперации энергии во время торможения.
Парусные лодки могут использовать водяной или ветряной генератор для подзарядки аккумуляторов. Небольшой пропеллер , ветряная турбина или турбина подключаются к маломощному генератору для подачи тока при типичных ветровых или крейсерских скоростях.
Транспортным средствам для отдыха требуется дополнительный источник питания для питания бортовых аксессуаров, включая кондиционеры и холодильники. Вилка питания RV подключается к электрогенератору для получения стабильного питания. [19]
Электросамокаты с рекуперативным торможением стали популярны во всем мире. Инженеры используют системы рекуперации кинетической энергии на самокате, чтобы снизить потребление энергии и увеличить его запас хода до 40-60% путем простой рекуперации энергии с помощью магнитного тормоза, который генерирует электрическую энергию для дальнейшего использования. Современные транспортные средства развивают скорость до 25-30 км/ч и могут проехать до 35-40 км.
Двигатель -генератор — это комбинация электрического генератора и двигателя (первичного движителя), смонтированных вместе для формирования единого автономного оборудования. В качестве двигателей обычно используются поршневые двигатели, но также могут использоваться газовые турбины, и существуют даже гибридные дизель-газовые агрегаты, называемые двухтопливными агрегатами. Существует множество различных версий двигателей-генераторов — от очень маленьких переносных бензиновых установок до больших турбинных установок. Основным преимуществом двигателей-генераторов является способность независимо поставлять электроэнергию, что позволяет агрегатам служить резервными источниками питания. [20]
Генератор может также приводиться в действие мускульной силой человека (например, в полевом радиооборудовании).
Электрические генераторы, работающие от человека, имеются в продаже и являются проектом некоторых энтузиастов DIY . Обычно приводимые в действие посредством педального привода, переделанного велотренажера или ножного насоса, такие генераторы могут быть использованы на практике для зарядки аккумуляторов, а в некоторых случаях они разработаны со встроенным инвертором. Средний «здоровый человек» может производить стабильные 75 Вт (0,1 лошадиной силы) в течение полных восьми часов, в то время как «первоклассный спортсмен» может производить приблизительно 298 Вт (0,4 лошадиной силы) в течение аналогичного периода, по окончании которого потребуется неопределенный период отдыха и восстановления. При 298 Вт средний «здоровый человек» истощается в течение 10 минут. [22] Чистая электрическая мощность, которая может быть произведена, будет меньше из-за эффективности генератора. Портативные радиоприемники с рукояткой сделаны для снижения требований к покупке батарей, см. Clockwork radio . В середине XX века радиоприемники с педальным приводом использовались по всей австралийской глубинке для обеспечения школьного образования ( школа радио ), медицинских и других нужд на отдаленных станциях и в городах.
Тахогенератор — это электромеханическое устройство, которое вырабатывает выходное напряжение, пропорциональное скорости вращения вала. Его можно использовать для индикатора скорости или в системе управления скоростью с обратной связью. Тахогенераторы часто используются для питания тахометров, измеряющих скорость электродвигателей, двигателей и оборудования, которое они питают. Генераторы вырабатывают напряжение, примерно пропорциональное скорости вращения вала. Благодаря точной конструкции и проектированию генераторы могут быть построены для выработки очень точных напряжений для определенных диапазонов скоростей вращения вала. [ необходима цитата ]
Эквивалентная схема генератора и нагрузки показана на соседней схеме. Генератор представлен абстрактным генератором, состоящим из идеального источника напряжения и внутреннего импеданса. Параметры генератора и могут быть определены путем измерения сопротивления обмотки (скорректированного на рабочую температуру ) и измерения напряжения холостого хода и нагрузки для определенной токовой нагрузки.
Это самая простая модель генератора, для точного представления могут потребоваться дополнительные элементы. В частности, можно добавить индуктивность, чтобы учесть обмотки машины и магнитный поток рассеяния, [23] но полное представление может стать гораздо более сложным, чем это. [24]
{{cite journal}}: Отсутствует или пусто |title=( помощь ){{cite journal}}: Отсутствует или пусто |title=( помощь )