Однофазный генератор (также известный как однофазный генератор переменного тока ) — это электрический генератор переменного тока , который вырабатывает одно, непрерывно переменное напряжение. Однофазные генераторы могут использоваться для выработки электроэнергии в однофазных электроэнергетических системах. Однако многофазные генераторы обычно используются для подачи электроэнергии в трехфазную распределительную систему, а ток преобразуется в однофазный вблизи однофазных нагрузок. Поэтому однофазные генераторы встречаются в приложениях, которые чаще всего используются, когда приводимые в действие нагрузки относительно легкие [1] и не подключены к трехфазному распределению, например, переносные двигатели-генераторы . Более крупные однофазные генераторы также используются в специальных приложениях, таких как однофазная тяговая мощность для систем электрификации железных дорог [2] .
Конструкция вращающихся якорных генераторов заключается в том, что якорь располагается на роторе , а магнитное поле — на статоре . Базовая конструкция, называемая элементарным генератором , [3] состоит в том, что якорь имеет прямоугольную петлю для разрезания силовых линий между северным и южным полюсами. Разрезая силовые линии посредством вращения, он вырабатывает электрический ток. Ток отправляется 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 число оборотов в секунду, соответствующее желаемой частоте (в герцах ) выходного переменного тока.
Взаимосвязь вращения якоря и выходного переменного тока можно увидеть на этой серии снимков. Из-за кругового движения якоря против прямых силовых линий переменное количество силовых линий будет перерезано даже при постоянной скорости движения. При нуле градусов прямоугольное плечо якоря не перерезает никаких силовых линий, давая нулевое выходное напряжение. По мере того как плечо якоря вращается с постоянной скоростью к положению 90°, перерезается больше линий. Силовые линии перерезаются максимум, когда якорь находится в положении 90°, выдавая наибольший ток в одном направлении. По мере того как он поворачивается к положению 180°, перерезается меньшее количество силовых линий, выдавая меньшее напряжение, пока оно снова не станет нулевым в положении 180°. Напряжение снова начинает увеличиваться, когда якорь направляется к противоположному полюсу в положении 270°. К этому положению ток генерируется в противоположном направлении, выдавая максимальное напряжение на противоположной стороне. Напряжение снова уменьшается по мере завершения полного поворота. За один оборот выходной переменный ток создается за один полный цикл, как показано на синусоиде .
К однофазному генератору также можно добавить больше полюсов, чтобы одно вращение могло производить более одного цикла переменного тока на выходе. В примере слева часть статора переконфигурирована так, чтобы иметь 4 полюса, которые равномерно распределены. Северный полюс примыкает к двум южным полюсам. Форма якоря в части ротора также изменена. Это больше не плоский прямоугольник. Плечо согнуто на 90 градусов. Это позволяет одной стороне якоря взаимодействовать с северным полюсом, а другой стороне — с южным полюсом аналогично двухполюсной конфигурации. Ток по-прежнему выдается через два набора контактных колец и щеток таким же образом, как и в двухполюсной конфигурации. Разница в том, что цикл переменного тока на выходе может быть завершен после поворота якоря на 180 градусов. За один оборот выход переменного тока будет составлять два цикла. Это увеличивает частоту выходного сигнала генератора. В зависимости от области применения 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.
Эта конструкция также позволяет нам увеличить выходное напряжение путем изменения формы якоря. Мы можем добавить больше прямоугольных петель к якорю, как показано на рисунке справа. Дополнительные петли на плече якоря соединены последовательно, что на самом деле является дополнительными обмотками того же проводника, образуя катушку прямоугольной формы. В этом примере в катушке 4 обмотки. Поскольку формы всех обмоток одинаковы, количество силовых линий будет разрезано в одинаковой степени в одном и том же направлении в одно и то же время во всех обмотках. Это создает синфазный выход переменного тока для этих 4 обмоток. В результате выходное напряжение увеличивается в 4 раза, как показано на синусоиде на диаграмме. [4]
Конструкция генераторов вращающегося поля заключается в том, чтобы иметь якорную часть на статоре и часть магнитного поля на роторе. Базовая конструкция однофазного генератора вращающегося поля показана справа. Есть два магнитных полюса, северный и южный, прикрепленные к ротору, и две катушки, которые соединены последовательно и равномерно распределены на статоре. Обмотки двух катушек имеют обратное направление, чтобы ток протекал в одном направлении, поскольку две катушки всегда взаимодействуют с противоположными полярностями. Поскольку полюса и катушки равномерно распределены, а расположение полюсов соответствует расположению катушек, магнитные силовые линии пересекаются в одинаковой степени в любой точке ротора. В результате напряжения, индуцированные во всех обмотках, имеют одинаковое значение в любой момент времени. Напряжения от обеих катушек находятся « в фазе » друг с другом. Следовательно, общее выходное напряжение в два раза больше напряжения, индуцированного в каждой обмотке. На рисунке, в месте, где встречаются полюс номер 1 и катушка номер 1, генератор выдает самое высокое выходное напряжение в одном направлении. Когда ротор поворачивается на 180 градусов, выходное напряжение чередуется, чтобы выдать самое высокое напряжение в другом направлении. [3] Частота выходного переменного тока в этом случае равна числу оборотов ротора в секунду. [1]
Эта конструкция также позволяет нам увеличить выходную частоту, добавляя больше полюсов. В этом примере справа у нас есть 4 катушки, соединенные последовательно на статоре, а ротор поля имеет 4 полюса. И катушки, и полюса расположены на одинаковом расстоянии. Каждый полюс имеет противоположную полярность по отношению к своим соседям, которые расположены под углом 90 градусов. Каждая катушка также имеет противоположную обмотку по отношению к своим соседям. Такая конфигурация позволяет линиям силы на 4 полюсах пересекаться 4 катушками на одинаковое количество в заданное время. При каждом повороте на 90 градусов полярность выходного напряжения переключается с одного направления на другое. Таким образом, за один поворот получается 4 цикла выходного переменного тока. Поскольку 4 катушки соединены последовательно, а их выходы находятся «в фазе», выход переменного тока этого однофазного генератора будет иметь в 4 раза больше напряжения, чем генерируемое каждой отдельной катушкой. [3]
Преимущество конструкции с вращающимся полем заключается в том, что если полюса представляют собой постоянные магниты , то нет необходимости использовать контактные кольца и щетки для подачи электроэнергии от генератора, поскольку катушки неподвижны и могут быть подключены напрямую от генератора к внешним нагрузкам.
Однофазные генераторы, с которыми люди знакомы, обычно небольшие. Они применяются в качестве резервных генераторов в случае прерывания основного электроснабжения и для временного электроснабжения на строительных площадках. [5]
Другое применение — в технологии малого ветра . Хотя большинство ветровых турбин используют трехфазные генераторы, однофазные генераторы встречаются в некоторых моделях малых ветровых турбин с номинальной выходной мощностью до 55 кВт. Однофазные модели доступны в ветровых турбинах с вертикальной осью (VAWT) и ветровых турбинах с горизонтальной осью (HAWT). [6] [7]
На самых ранних этапах производства электроэнергии генераторы на электростанциях были однофазными переменного или постоянного тока . Направление электроэнергетики изменилось в 1895 году, когда на гидроэлектростанции Адамса , которая была первой крупномасштабной многофазной электростанцией, были успешно внедрены более эффективные многофазные генераторы . [8] Новые электростанции начали внедрять многофазную систему. В 1900-х годах многие железные дороги начали электрификацию своих линий. В то время однофазная система переменного тока широко использовалась для их тяговых сетей наряду с системой постоянного тока. Ранние генераторы для этих однофазных тяговых сетей были однофазными генераторами. [9] Даже с более новыми трехфазными двигателями, которые были введены в некоторые современные поезда, однофазная передача для тяговых сетей пережила свое время и все еще используется на многих железных дорогах сегодня. [10] Однако многие тяговые электростанции со временем заменили свои генераторы на трехфазные генераторы и перешли на однофазные для передачи. [11]
На раннем этапе развития гидроэлектроэнергии однофазные генераторы сыграли важную роль в демонстрации преимуществ переменного тока. В 1891 году на гидроэлектростанции Эймса был установлен однофазный генератор на 3000 вольт и 133 Гц мощностью 100 лошадиных сил , который был соединен ремнем с водяным колесом Пелтона. Энергия передавалась по кабелям длиной 4,2 километра (2,6 мили) для питания идентичного двигателя на мельнице. Эта установка была первой, вырабатывавшей электроэнергию переменного тока для промышленного применения, и это была демонстрация эффективности передачи переменного тока. Это был прецедент для гораздо более крупных установок, таких как электростанция Эдварда Дина Адамса в Ниагарском водопаде, штат Нью-Йорк, в 1895 году. [12] Однако более крупные установки работали с использованием многофазных генераторов для большей эффективности. Это оставило применение однофазной гидроэлектроэнергии для особых случаев, таких как при легких нагрузках.
Пример использования однофазного 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 ранняя демонстрация внутритрубной гидросистемы для извлечения энергии из потока воды в общественном водопроводе . Энергия для водопровода в этом случае не создавалась гравитацией, а вода перекачивалась более крупным паровым двигателем на насосной станции для подачи воды потребителям. Решение перекачивать воду более крупным двигателем, а затем брать часть энергии из потока воды для питания меньшего генератора с использованием водяного колеса было основано на стоимости. В то время паровые двигатели были неэффективны и нерентабельны 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]
Основное применение однофазной гидроэлектрогенерации сегодня — это поставка электроэнергии для тяговой сети железных дорог. Многие сети электропередачи для железных дорог, особенно в Германии, полагаются на однофазную генерацию и передачу, которые все еще используются сегодня. Известная электростанция — гидроэлектростанция Вальхензее в Баварии . Станция берет воду из высокогорного озера Вальхензее для приведения в действие восьми турбин, которые приводят в действие генераторы. Четыре из них — трехфазные генераторы для питания электросети . Остальные четыре — однофазные генераторы, подключенные к турбинам Пелтона, которые имеют общую мощность 52 МВт для питания немецкой железнодорожной электрификации переменного тока 15 кВ . [14]
Похожие однофазные гидроэлектростанции также используются в другом варианте системы электрификации железных дорог в Соединенных Штатах. Электростанция на плотине Safe Harbor в Пенсильвании обеспечивает выработку электроэнергии как для коммунальных служб, так и для железной дороги Amtrak . Две из ее 14 турбин подключены к двум однофазным генераторам для питания тяговой системы Amtrak частотой 25 Гц . Две турбины относятся к типу Каплана с 5 лопастями и мощностью 42 500 лошадиных сил. [15]
В ранние годы паровые двигатели использовались в качестве первичных двигателей генераторов. Установка на муниципальной электростанции Сент-Луиса в 1900-х годах была примером использования паровых двигателей с однофазными генераторами. На заводе в Сент-Луисе использовался составной паровой двигатель для привода однофазного генератора мощностью 100 кВт, который вырабатывал ток при номинальной мощности 1150 вольт. [13]
Паровые двигатели также использовались в двадцатом веке на электростанциях для тяговых сетей, которые имели однофазное распределение мощности для определенных железных дорог. Специальный набор однофазных генераторов с паровыми турбинами на станции Waterside Generating в Нью-Йорке в 1938 году был примером таких систем генерации и распределения. Однофазные генераторы в конечном итоге были сняты с эксплуатации в конце 1970-х годов из-за проблем с отказом турбины на другой станции. Генераторы были заменены двумя трансформаторами для перехода от другого трехфазного источника питания к существующей однофазной контактной сети. В конечном итоге трансформаторы были заменены двумя твердотельными циклоконверторами . [8]
Обычно атомные электростанции используются в качестве базовых станций с очень высокой мощностью для подачи электроэнергии в сети. Neckarwestheim I в Neckarwestheim является уникальной атомной электростанцией, поскольку она оснащена мощными однофазными генераторами для снабжения железной дороги Deutsche Bahn определенным напряжением переменного тока с частотой 16 2/3 Гц. Реактор с водой под давлением переносит тепловую энергию на две турбины и генераторы, которые рассчитаны на 187 МВт и 152 МВт. [16]
