В производстве электроэнергии генератор [1] представляет собой устройство, которое преобразует мощность движения ( потенциальную и кинетическую энергию ) или мощность топлива ( химическая энергия ) 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 учёным Майклом Фарадеем . Генераторы обеспечивают почти всю мощность электрических сетей .
В дополнение к конструкциям, основанным на электричестве и движении, генераторы на фотоэлектрических элементах и топливных элементах используют солнечную энергию и топливо на основе водорода соответственно для выработки электроэнергии.
Обратное преобразование электрической энергии в механическую осуществляется электродвигателем , а двигатели и генераторы очень похожи. Многие двигатели могут генерировать электричество из механической энергии.
Электромагнитные генераторы делятся на две большие категории: динамо-машины и генераторы переменного тока.
Механически генератор состоит из вращающейся и неподвижной частей, которые вместе образуют магнитную цепь :
Одна из этих частей генерирует магнитное поле, другая имеет проволочную обмотку, в которой изменяющееся поле индуцирует электрический ток:
Якорь может располагаться либо на роторе, либо на статоре, в зависимости от конструкции, с катушкой возбуждения или магнитом на другой части.
До того, как была открыта связь между магнетизмом и электричеством , были изобретены электростатические генераторы . Они действовали на электростатических принципах, используя движущиеся электрически заряженные ленты, пластины и диски, которые переносили заряд на электрод с высоким потенциалом. Заряд создавался с использованием одного из двух механизмов: электростатической индукции или трибоэлектрического эффекта . Такие генераторы генерировали очень высокое напряжение и малый ток . Из-за своей неэффективности и сложности изоляции машин, вырабатывающих очень высокое напряжение, электростатические генераторы имели низкую номинальную мощность и никогда не использовались для выработки коммерчески значимых количеств электроэнергии. Их единственным практическим применением было питание первых 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 электродвижущая сила генерируется в электрическом проводнике, окружающем переменный магнитный поток .
Он также построил первый электромагнитный генератор, названный диском Фарадея ; тип униполярного генератора , использующий медный диск, вращающийся между полюсами подковообразного магнита . Он производил небольшое постоянное напряжение .
Эта конструкция была неэффективной из-за самогасящихся противотоков тока в областях диска, не находящихся под действием магнитного поля. Хотя ток индуцировался непосредственно под магнитом, ток циркулировал в обратном направлении в областях, находящихся вне влияния магнитного поля. Этот противоток ограничивал выходную мощность на провода датчика и вызывал ненужный нагрев медного диска. Более поздние униполярные генераторы решили эту проблему, используя массив магнитов, расположенных по периметру диска для поддержания постоянного эффекта поля в одном направлении 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 и полезные напряжения. Поскольку выходное напряжение пропорционально количеству витков, генераторы можно легко сконструировать для выработки любого желаемого напряжения, изменяя количество витков. Проволочные обмотки стали основной особенностью всех последующих конструкций генераторов.
Независимо от Фарадея, Аньос Едлик начал экспериментировать в 1827 году с электромагнитными вращающимися устройствами, которые он назвал электромагнитными самовращающимися двигателями . В прототипе однополюсного электростартера (построенного между 1852 и 1854 годами) как неподвижная, так и вращающаяся части были электромагнитными. Это было также открытие принципа самовозбуждения динамо-машины [2] , который заменил конструкции с постоянными магнитами. Он также, возможно, сформулировал концепцию динамо -машины в 1861 году (до Сименса и Уитстона ), но не запатентовал ее, поскольку считал, что он не первый, кто это осознал. [3]
Катушка с проводом, вращающаяся в магнитном поле, производит ток, который меняет направление при каждом повороте на 180°, — переменный ток (AC). Однако многие ранние способы использования электричества требовали постоянного тока (DC). В первых практических электрических генераторах, называемых динамо-машинами , переменный ток преобразовывался в постоянный с помощью коммутатора — набора вращающихся переключающих контактов на валу якоря. Коллектор менял подключение обмотки якоря к цепи при каждом повороте вала на 180°, создавая пульсирующий постоянный ток. Одну из первых динамо-машин построил Ипполит Пиксий в 1832 году.
Динамо-машина была первым электрическим генератором, способным обеспечивать электроэнергией промышленность. Электрический генератор Вулрича 1844 года, который сейчас находится в аналитическом центре Бирмингемского музея науки , является первым электрическим генератором, используемым в промышленных процессах. [4] Он использовался фирмой Элкингтонс для коммерческой гальваники . [5] [6] [7]
Современная динамо-машина, пригодная для использования в промышленности, была изобретена независимо сэром Чарльзом Уитстоном , Вернером фон Сименсом и Сэмюэлем Альфредом 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 .
В «динамо-электрической машине» для создания поля статора использовались автономные катушки электромагнитного поля, а не постоянные магниты. [8] Конструкция Уитстона была похожа на конструкцию Сименса, с той разницей, что в конструкции Сименса электромагниты статора были включены последовательно с ротором, а в конструкции Уитстона они были параллельны. [9] Использование электромагнитов, а не постоянных магнитов, значительно увеличило выходную мощность динамо-машины и впервые позволило вырабатывать высокую мощность. Это изобретение привело непосредственно к первому крупному промышленному использованию электричества. Например, в 1870-х годах Сименс использовал электромагнитные динамо-машины для питания электродуговых печей для производства металлов и других материалов.
Разработанная динамо-машина состояла из стационарной конструкции, создающей магнитное поле, и набора вращающихся обмоток, вращающихся внутри этого поля. В более крупных машинах постоянное магнитное поле создается одним или несколькими электромагнитами, которые обычно называются катушками возбуждения.
Большие динамо-машины для производства электроэнергии сейчас редко можно увидеть из-за почти повсеместного использования переменного тока для распределения энергии. До внедрения переменного тока единственным средством производства и распределения электроэнергии были очень большие динамо-машины постоянного тока. Переменный ток стал доминировать благодаря способности легко преобразовывать переменный ток в очень высокое напряжение и обратно, что обеспечивает низкие потери на больших расстояниях.
.jpg/1280px-Ferranti_two-phase_generator_set_(Rankin_Kennedy,_Electrical_Installations,_Vol_III,_1903).jpg)
Благодаря серии открытий на смену динамо-машине пришли многие более поздние изобретения, особенно генератор переменного тока , который был способен генерировать переменный ток . Это широко известно как синхронные генераторы (СГ). Синхронные машины напрямую подключены к сети, и их необходимо правильно синхронизировать во время запуска. [10] Кроме того, они возбуждаются специальным контролем для повышения стабильности энергосистемы. [11]
Системы генерации переменного тока в простых формах были известны со времени первоначального открытия Майклом Фарадеем магнитной индукции электрического тока . Сам Фарадей построил первый 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. Гордоном в 1882 году. Первую публичную демонстрацию «системы генератора переменного тока» провел Уильям Стэнли-младший , сотрудник Westinghouse Electric , в 1886 году. [13]
Себастьян Зиани де Ферранти основал компанию Ferranti, Thompson and Ince в 1882 году для продажи своего генератора переменного тока Ферранти-Томпсона , изобретенного с помощью известного физика лорда Кельвина . [14] Его первые генераторы переменного тока производили частоты от 100 до 300 Гц . В 1887 году Ферранти спроектировал Дептфордскую электростанцию для Лондонской корпорации электроснабжения, используя систему переменного тока. После завершения строительства в 1891 году это была первая по-настоящему современная электростанция, поставляющая высоковольтную мощность переменного тока, которая затем была «выведена из строя» для использования потребителями на каждой улице. Эта базовая система по-прежнему используется сегодня во всем мире.
После 1891 года были введены многофазные генераторы переменного тока для подачи токов нескольких разных фаз. [15] Более поздние генераторы переменного тока были разработаны для изменения частоты переменного тока от шестнадцати до ста герц для использования с дуговым освещением, лампами накаливания и электродвигателями. [16]
По мере роста требований к более крупномасштабному производству электроэнергии возникло новое ограничение: магнитные поля, создаваемые постоянными магнитами. Перенаправление небольшого количества энергии, генерируемой генератором, на катушку электромагнитного поля позволило генератору производить значительно большую мощность. Эта концепция получила название самовозбуждения .
Катушки возбуждения подключаются последовательно или параллельно обмотке якоря. Когда генератор впервые начинает вращаться, небольшое количество остаточного магнетизма, присутствующее в железном сердечнике, создает магнитное поле для его запуска, генерируя небольшой ток в якоре. Он течет через катушки возбуждения, создавая большее магнитное поле, которое генерирует больший ток якоря. Этот процесс «начальной загрузки» продолжается до тех пор, пока магнитное поле в сердечнике не выровняется из-за насыщения и генератор не достигнет стабильной выходной мощности.
Генераторы очень больших электростанций часто используют отдельный генератор меньшего размера для возбуждения катушек возбуждения более крупного. В случае серьезного повсеместного отключения электроэнергии , в результате которого произошло изолирование электростанций, станциям может потребоваться выполнить черный пуск для возбуждения полей своих крупнейших генераторов, чтобы восстановить энергоснабжение потребителей.
Динамо-машина использует коммутаторы для производства постоянного тока. Он является самовозбуждающимся , то есть его полевые электромагниты питаются от собственного выхода машины. В других типах генераторов постоянного тока для подачи питания на магниты поля используется отдельный источник постоянного тока.
Униполярный генератор — это электрический генератор постоянного тока , содержащий электропроводящий диск или цилиндр, вращающийся в плоскости, перпендикулярной однородному статическом магнитному полю. Между центром диска и ободом (или концами цилиндра) создается разность потенциалов, электрическая полярность которой зависит от направления вращения и ориентации поля.
Он также известен как униполярный генератор , ациклический генератор , дисковое динамо или диск Фарадея . Напряжение обычно низкое, порядка нескольких вольт в случае небольших демонстрационных моделей, но большие исследовательские генераторы могут производить сотни вольт, а в некоторых системах есть несколько генераторов, соединенных последовательно, для создания еще большего напряжения. [17] Они необычны тем, что могут производить огромный электрический ток, иногда превышающий миллион ампер , поскольку униполярный генератор можно сделать так, чтобы он имел очень низкое внутреннее сопротивление.
Магнитогидродинамический генератор напрямую извлекает электроэнергию из движения горячих газов через магнитное поле без использования вращающихся электромагнитных механизмов. МГД-генераторы изначально были разработаны потому, что на выходе плазменного МГД-генератора образуется пламя, способное хорошо нагревать котлы паровой электростанции . Первой практической разработкой стал AVCO Mk. 25, разработанная в 1965 году. Правительство США профинансировало значительные разработки, кульминацией которых стала демонстрационная установка мощностью 25 МВт в 1987 году. В Советском Союзе с 1972 года до конца 1980-х годов МГД-станция У 25 регулярно эксплуатировалась в Московской энергосистеме с мощность 25 МВт, крупнейший на тот момент рейтинг МГД-станции в мире. [18] МГД-генераторы, работающие по верхнему циклу, в настоящее время (2007 г.) менее эффективны, чем газовые турбины комбинированного цикла .
Асинхронные двигатели переменного тока могут использоваться в качестве генераторов, превращающих механическую энергию в электрический ток. Асинхронные генераторы работают за счет механического вращения ротора быстрее, чем одновременная скорость, что приводит к отрицательному скольжению. Обычный несинхронный двигатель переменного тока обычно можно использовать в качестве генератора без каких-либо изменений в его деталях. Асинхронные генераторы полезны в таких приложениях, как мини-гидроэлектростанции, ветряные турбины или для снижения газовых потоков высокого давления до более низкого давления, поскольку они могут восстанавливать энергию с помощью относительно простых элементов управления. Для начала работы им не требуется другая цепь, поскольку вращающееся магнитное поле создается за счет индукции той, которая у них есть. Им также не требуется оборудование для регулирования скорости, поскольку они по своей сути работают на частоте подключенной сети.
Асинхронный генератор должен питаться опережающим напряжением; Обычно это делается путем подключения к электрической сети или путем подачи питания на фазокорректирующие конденсаторы.
В простейшей форме линейного электрического генератора скользящий магнит движется вперед и назад через соленоид , медный провод или катушку. Переменный ток индуцируется в проводе или петлях провода по закону индукции Фарадея каждый раз, когда магнит скользит сквозь него. Этот тип генератора используется в фонаре Фарадея . Более крупные линейные генераторы электроэнергии используются в схемах волновой энергетики .
Генераторы, подключенные к сети, выдают электроэнергию с постоянной частотой. Для генераторов синхронного или индукционного типа скорость первичного двигателя, вращающего вал генератора, должна быть на определенной скорости (или в узком диапазоне скоростей), чтобы обеспечить мощность на требуемой частоте сети. Механические устройства регулирования скорости могут тратить значительную часть входной энергии на поддержание необходимой фиксированной частоты.
Там, где непрактично или нежелательно жестко регулировать скорость первичного двигателя, в качестве генераторов можно использовать электрические машины с двойным питанием . С помощью силовых электронных устройств они могут регулировать выходную частоту до желаемого значения в более широком диапазоне скоростей вала генератора. В качестве альтернативы можно использовать стандартный генератор, не пытаясь регулировать частоту, а полученную мощность преобразовать в желаемую выходную частоту с помощью комбинации выпрямителя и преобразователя. Разрешение более широкого диапазона скоростей первичного двигателя может улучшить общее производство энергии установкой за счет более сложных генераторов и средств управления. Например, там, где ветряная турбина, работающая с фиксированной частотой, может потребоваться для рассеивания энергии при высоких скоростях ветра, система с регулируемой скоростью может позволить рекуперировать энергию, содержащуюся в периоды высокой скорости ветра.
Электростанция , также известная как электростанция или электростанция , а иногда и электростанция или электростанция , представляет собой промышленный объект, производящий 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, широко варьируется. Большинство электростанций в мире сжигают ископаемое топливо, такое как уголь , нефть и природный газ, для производства электроэнергии. Более чистые источники включают ядерную энергию и все чаще используют возобновляемые источники энергии , такие как солнце , ветер , волны и проточная вода .
Автомобили требуют электрической энергии для питания своих приборов, поддержания работы самого двигателя и подзарядки аккумуляторов. Примерно до 1960-х годов в автомобилях обычно использовались генераторы постоянного тока (динамо-машины) с электромеханическими регуляторами. Следуя исторической тенденции, описанной выше, и по многим тем же причинам, 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 включают колесо велосипеда по мере необходимости, и динамо-втулки , которые непосредственно прикреплены к трансмиссии велосипеда. Название условное, поскольку это небольшие генераторы переменного тока с постоянными магнитами, а не машины постоянного тока с самовозбуждением, как динамо-машины . Некоторые электрические велосипеды способны к рекуперативному торможению , при котором приводной двигатель используется в качестве генератора для рекуперации некоторой энергии во время торможения.
Парусные лодки могут использовать водяной или ветровой генератор для подзарядки аккумуляторов. Небольшой пропеллер , ветряная турбина или турбина подключаются к маломощному генератору для подачи токов с типичной скоростью ветра или крейсерской скоростью.
Транспортным средствам для отдыха необходим дополнительный источник питания для питания бортовых аксессуаров, включая кондиционеры и холодильники. Вилка питания автофургона подключается к электрогенератору для получения стабильного электропитания. [19]
Электросамокаты с рекуперативным торможением стали популярны во всем мире. Инженеры используют на самокате системы рекуперации кинетической энергии , чтобы снизить потребление энергии и увеличить запас хода до 40-60% за счет простой рекуперации энергии с помощью магнитного тормоза, который генерирует электрическую энергию для дальнейшего использования. Современные автомобили развивают скорость до 25–30 км/ч и могут проехать до 35–40 км.
Двигатель -генератор представляет собой комбинацию электрического генератора и двигателя (первичного двигателя), смонтированных вместе и образующих единое автономное оборудование. Используемые двигатели обычно являются поршневыми, но могут использоваться и газовые турбины, существуют даже гибридные дизель-газовые агрегаты, называемые двухтопливными. Доступно множество различных версий двигателей-генераторов - от очень маленьких портативных бензиновых агрегатов до больших турбинных установок. Основным преимуществом двигателей-генераторов является возможность самостоятельной подачи электроэнергии, что позволяет агрегатам выступать в качестве резервных источников питания. [20]
Генератор также может приводиться в движение силой мышц человека (например, в оборудовании полевых радиостанций).
Электрические генераторы, приводимые в движение человеком, коммерчески доступны и являются проектом некоторых энтузиастов, занимающихся своими руками . Такие генераторы, которые обычно приводятся в действие с помощью педалей, переоборудованного велотренажера или ножного насоса, могут практически использоваться для зарядки аккумуляторов, а в некоторых случаях имеют встроенный инвертор. Средний «здоровый человек» может производить стабильную мощность 75 Вт (0,1 лошадиной силы) в течение полных восьми часов, тогда как «спортсмен первого класса» может производить примерно 298 Вт (0,4 лошадиной силы) в течение аналогичного периода, по истечении которого потребуется неопределенный период отдыха и восстановления. При мощности 298 Вт среднестатистический «здоровый человек» утомляется за 10 минут. [22] Чистая электрическая мощность, которую можно произвести, будет меньше из-за эффективности генератора. Портативные радиоприемники с рукояткой созданы для снижения требований к покупке батарей, см. Заводное радио . В середине 20-го века радиоприемники с педальным приводом использовались по всей австралийской глубинке для школьного обучения (« Школа воздуха »), медицинских и других нужд на отдаленных станциях и в городах.
Тахогенератор — это электромеханическое устройство, которое вырабатывает выходное напряжение, пропорциональное скорости его вала. Его можно использовать в качестве индикатора скорости или в системе управления скоростью с обратной связью. Тахогенераторы часто используются для питания тахометров для измерения скорости электродвигателей, двигателей и оборудования, которое они приводят в действие. Генераторы генерируют напряжение, примерно пропорциональное скорости вала. Благодаря точной конструкции и конструкции генераторы могут создавать очень точные напряжения для определенных диапазонов скоростей вала. [ нужна цитата ]
Эквивалентная схема генератора и нагрузки показана на соседней схеме. Генератор представлен абстрактным генератором , состоящим из идеального источника напряжения и внутреннего сопротивления. Параметры генератора можно определить путем измерения сопротивления обмотки (с поправкой на рабочую температуру ) и измерения напряжения холостого хода и напряжения нагрузки для определенной токовой нагрузки.
Это простейшая 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 оказаться гораздо более сложным. [24]
{{cite journal}}: Отсутствует или пусто |title=( помощь ){{cite journal}}: Отсутствует или пусто |title=( помощь )