Однофазный генератор (также известный как однофазный генератор переменного тока ) представляет собой электрический генератор переменного тока , который производит одно, постоянно переменное напряжение. Однофазные генераторы могут использоваться для выработки электроэнергии в однофазных электроэнергетических системах. Однако многофазные генераторы обычно используются для подачи электроэнергии в трехфазной распределительной системе, и вместо этого ток преобразуется в однофазный рядом с однофазными нагрузками. Таким образом, однофазные генераторы встречаются в приложениях, которые чаще всего используются, когда приводимая нагрузка относительно невелика [1] и не подключена к трехфазному распределению, например, в портативных двигателях-генераторах . Однофазные генераторы большего размера также используются в специальных приложениях, таких как однофазная тяговая мощность для систем электрификации железных дорог . [2]
В конструкции генераторов с вращающимся якорем часть якоря расположена на роторе , а часть магнитного поля — на статоре . Базовая конструкция, называемая элементарным генератором , [3] должна иметь якорь прямоугольной петли, разрезающий силовые линии между северным и южным полюсами. Разрезая силовые линии посредством вращения, он производит электрический ток. Ток выводится из генераторного блока через два набора контактных колец и щеток , по одному из которых используется для каждого конца якоря. В этой двухполюсной конструкции, когда якорь вращается на один оборот, он генерирует один цикл однофазного переменного тока (AC). Для генерации выходного переменного тока якорь вращается с постоянной скоростью, имеющей количество оборотов в секунду, соответствующее желаемой частоте (в герцах ) выходного переменного тока.
Взаимосвязь вращения якоря и выходного переменного тока можно увидеть на этой серии изображений. За счет кругового движения якоря против прямых силовых линий даже при постоянной скорости движения будет перерезано переменное количество силовых линий. При нуле градусов прямоугольный рычаг якоря не пересекает силовые линии, обеспечивая нулевое выходное напряжение. Поскольку рычаг якоря вращается с постоянной скоростью в направлении 90°, обрезается больше линий. Силовые линии разрезаются максимум тогда, когда якорь находится в положении 90°, выдавая наибольший ток в одном направлении. Когда он поворачивается к положению 180°, меньшее количество силовых линий разрезается, выдавая меньшее напряжение, пока оно снова не станет равным нулю в положении 180°. Напряжение снова начинает увеличиваться, когда якорь направляется к противоположному полюсу в положении 270 °. В этом положении ток генерируется в противоположном направлении, выдавая максимальное напряжение на противоположной стороне. Напряжение снова уменьшится, когда он завершит полный оборот. За один оборот выходной сигнал переменного тока создается за один полный цикл, представленный синусоидальной волной .
К однофазному генератору также можно добавить больше полюсов, чтобы за один оборот производить более одного цикла выходного переменного тока. В примере слева часть статора переконфигурирована так, чтобы иметь 4 полюса, расположенных на одинаковом расстоянии друг от друга. Северный полюс соседствует с двумя южными полюсами. Изменена также форма якоря в роторной части. Это уже не плоский прямоугольник. Рука согнута на 90 градусов. Это позволяет одной стороне якоря взаимодействовать с северным полюсом, а другая сторона взаимодействует с южным полюсом аналогично двухполюсной конфигурации. Ток по-прежнему подается через два набора контактных колец и щеток таким же образом, как и в двухполюсной конфигурации. Разница в том, что цикл выдачи переменного тока может быть завершен после поворота якоря на 180 градусов. За один оборот выходной переменный ток составит два цикла. Это увеличивает частоту на выходе генератора. Можно добавить больше полюсов для достижения более высокой частоты при той же скорости вращения генератора или той же выходной частоты при более низкой скорости вращения генератора в зависимости от применения.
Такая конструкция также позволяет увеличить выходное напряжение за счет изменения формы якоря. Мы можем добавить к арматуре больше прямоугольных петель, как показано на рисунке справа. Дополнительные петли на плече якоря соединены последовательно и фактически представляют собой дополнительные обмотки того же проводящего провода, образующие катушку прямоугольной формы. В этом примере в катушке 4 обмотки. Поскольку формы всех обмоток одинаковы, количество силовых линий будет сокращаться одинаково в одном и том же направлении одновременно во всех обмотках. Это создает синфазный выход переменного тока для этих 4 обмоток. В результате выходное напряжение увеличивается в 4 раза, как показано синусоидальной волной на диаграмме. [4]
В конструкции генераторов вращающегося поля часть якоря расположена на статоре, а часть магнитного поля — на роторе. Базовая конструкция однофазного генератора вращающегося поля показана справа. К ротору прикреплены два магнитных полюса, северный и южный, и две катушки, которые соединены последовательно и расположены на равном расстоянии от статора. Обмотки двух катушек расположены в обратном направлении, чтобы ток текал в одном направлении, поскольку две катушки всегда взаимодействуют с противоположными полярностями. Поскольку полюса и катушки расположены на одинаковом расстоянии друг от друга, а расположение полюсов совпадает с расположением катушек, магнитные силовые линии срезаются на одинаковую величину при любом угле поворота ротора. В результате напряжения, индуцированные на всех обмотках, имеют одно и то же значение в любой момент времени. Напряжения с обеих катушек « синфазны » друг другу. Следовательно, общее выходное напряжение в два раза превышает напряжение, индуцируемое в каждой обмотке. На рисунке в месте пересечения полюса № 1 и катушки № 1 генератор выдает наибольшее выходное напряжение в одном направлении. Когда ротор поворачивается на 180 градусов, выходное напряжение меняется, чтобы обеспечить максимальное напряжение в другом направлении. [3] Частота выходного переменного тока в этом случае равна числу оборотов ротора в секунду. [1]
Эта конструкция также может позволить нам увеличить выходную частоту за счет добавления большего количества полюсов. В этом примере справа у нас есть 4 катушки, соединенные последовательно на статоре, а ротор возбуждения имеет 4 полюса. Обе катушки и полюса расположены на одинаковом расстоянии друг от друга. Каждый полюс имеет полярность, противоположную своим соседям, расположенным под углом 90 градусов. Каждая катушка также имеет обмотку, противоположную своим соседям. Эта конфигурация позволяет разрезать силовые линии на 4 полюсах четырьмя катушками на одинаковую величину в данный момент времени. При каждом повороте на 90 градусов полярность выходного напряжения переключается с одного направления на другое. Следовательно, за один оборот происходит 4 цикла выходного переменного тока. Поскольку 4 катушки соединены последовательно и их выходы находятся «в фазе», выход переменного тока этого однофазного генератора будет в 4 раза превышать напряжение, генерируемое каждой отдельной катушкой. [3]
Преимущество конструкции с вращающимся полем заключается в том, что если полюса представляют собой постоянные магниты , то нет необходимости использовать контактное кольцо и щетку для подачи электроэнергии из генератора, поскольку катушки неподвижны и могут быть подключены напрямую от генератора к генератору. внешние нагрузки.
Однофазные генераторы, с которыми знакомы люди, обычно имеют небольшие размеры. Приложения предназначены для резервных генераторов на случай прерывания основного электроснабжения, а также для временного энергоснабжения на строительных площадках. [5]
Еще одно применение – малая ветровая технология . Хотя в большинстве ветряных турбин используются трехфазные генераторы, в некоторых небольших моделях ветряных турбин встречаются однофазные генераторы с номинальной мощностью до 55 кВт. Однофазные модели доступны в ветряных турбинах с вертикальной осью (VAWT) и ветряных турбинах с горизонтальной осью (HAWT). [6] [7]
На заре производства электроэнергии генераторы на электростанциях работали однофазным переменным или постоянным током . Направление электроэнергетики изменилось в 1895 году, когда более эффективные многофазные генераторы были успешно внедрены на Адамсской гидроэлектростанции, которая была первой крупномасштабной многофазной электростанцией . [8] Новые электростанции начали использовать многофазную систему. В 1900-х годах многие железные дороги начали электрификацию своих линий. В то время в их тяговых электросетях широко использовалась однофазная система переменного тока помимо системы постоянного тока. Первые генераторы для этих однофазных тяговых сетей были однофазными. [9] Даже с новыми трехфазными двигателями, которые были установлены на некоторых современных поездах, однофазная передача для тяговых сетей пережила свое время и до сих пор используется на многих железных дорогах. [10] Однако многие тяговые электростанции со временем заменили свои генераторы, чтобы использовать трехфазные генераторы и преобразовать их в однофазные для передачи. [11]
На заре развития гидроэлектроэнергетики однофазные генераторы сыграли важную роль в демонстрации преимуществ переменного тока. В 1891 году на гидроэлектростанции Эймса был установлен однофазный генератор мощностью 100 лошадиных сил напряжением 3000 вольт и частотой 133 Гц , который был соединен ремнем с водяным колесом Пелтона. Электроэнергия передавалась по кабелям длиной 4,2 км (2,6 мили) для питания идентичного двигателя на заводе. Завод был первым, кто начал производить электроэнергию переменного тока для промышленного применения, и это стало демонстрацией эффективности передачи переменного тока. Это было прецедентом для более крупных электростанций, таких как электростанция Эдварда Дина Адамса в Ниагара-Фолс, штат Нью-Йорк, в 1895 году. [12] Однако более крупные электростанции работали с использованием многофазных генераторов для большей эффективности. Это оставило применение однофазной гидроэлектроэнергии для особых случаев, таких как легкие нагрузки.
Пример использования однофазной энергии в частном случае был реализован в 1902 году на муниципальной электростанции Сент-Луиса. Однофазный генератор мощностью 20 кВт был напрямую подключен к водяному колесу Пелтона для выработки электроэнергии, достаточной для питания легких нагрузок. Это была первая демонстрация внутритрубной гидросистемы для улавливания энергии из потока воды в общественном водопроводе . Энергия для водопровода в данном случае создавалась не силой тяжести, а вода перекачивалась более крупной паровой машиной на водонасосной станции для подачи воды потребителям. Решение перекачивать воду с помощью более крупного двигателя, а затем использовать часть энергии потока воды для питания меньшего генератора с использованием водяного колеса, было основано на стоимости. В то время паровые двигатели не были эффективными и экономически выгодными для системы мощностью 20 кВт. Поэтому они установили паровой водяной насос, чтобы иметь достаточно энергии для поддержания давления воды для потребителя и одновременного приведения в действие небольшого генератора. [13]
Сегодня основным применением однофазной гидроэлектроэнергии является обеспечение электроэнергией тяговых сетей железных дорог. Многие сети электропередачи на железных дорогах, особенно в Германии, основаны на однофазной генерации и передаче, которые используются до сих пор. Примечательной электростанцией является гидроэлектростанция Вальхензее в Баварии . Станция берет воду из возвышенного озера Вальхензее для привода восьми турбин, приводящих в движение генераторы. Четыре из них представляют собой трехфазные генераторы для питания электросети . Остальные четыре представляют собой однофазные генераторы, подключенные к турбинам Пелтона, общая мощность которых составляет 52 МВт для обеспечения электрификации немецких железных дорог переменного тока напряжением 15 кВ . [14]
Подобные однофазные генераторы гидроэлектроэнергии также используются в другом варианте системы электрификации железных дорог в Соединенных Штатах. Электростанция на плотине Сейф-Харбор в Пенсильвании обеспечивает выработку электроэнергии как для коммунальных предприятий, так и для железной дороги Amtrak . Две из 14 турбин подключены к двум однофазным генераторам для питания тяговой энергосистемы Amtrak с частотой 25 Гц . Две турбины типа Каплана с пятью лопастями мощностью 42 500 лошадиных сил. [15]
В первые годы паровые двигатели использовались в качестве главных двигателей генераторов. Установка на муниципальной электростанции Сент-Луиса в 1900-х годах была примером использования паровых двигателей с однофазными генераторами. Завод в Сент-Луисе использовал составную паровую машину для привода однофазного генератора мощностью 100 кВт, который вырабатывал ток номинальной мощностью 1150 вольт. [13]
Паровые машины также использовались в двадцатом веке на электростанциях тяговых сетей, которые имели однофазное распределение электроэнергии для конкретных железных дорог. Примером таких систем генерации и распределения был специальный комплект однофазных генераторов с паровыми турбинами на электростанции Уотерсайд в Нью-Йорке в 1938 году. Однофазные генераторы в конечном итоге были выведены из эксплуатации в конце 1970-х годов из-за опасений по поводу отказа турбины на другой станции. Генераторы были заменены двумя трансформаторами, чтобы перейти от другого трехфазного источника питания к существующей однофазной контактной сети . В конце концов, трансформаторы были заменены двумя твердотельными циклоконвертерами . [8]
Обычно атомные электростанции используются в качестве станций базовой нагрузки с очень высокой мощностью для подачи электроэнергии в сети. Неккарвестхайм I в Неккарвестхайме является уникальной атомной электростанцией, поскольку она оснащена однофазными генераторами большой мощности для снабжения железных дорог Deutsche Bahn определенным переменным напряжением частотой 16 2/3 Гц. Реактор с водой под давлением передает тепловую энергию к двум турбинам и генераторам мощностью 187 МВт и 152 МВт. [16]
