Генератор переменного тока — это электрический генератор , преобразующий механическую энергию в электрическую в виде переменного тока . [2] Из соображений стоимости и простоты большинство генераторов переменного тока используют вращающееся магнитное поле с неподвижным якорем . [3] Иногда используется линейный генератор переменного тока или вращающийся якорь со неподвижным 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, использующий постоянный магнит для своего магнитного поля, называется магнето . Генераторы переменного тока на электростанциях, приводимые в движение паровыми турбинами, называются турбогенераторами. Большие трехфазные генераторы переменного тока частотой 50 или 60 Гц на электростанциях генерируют большую часть электроэнергии в мире, которая распределяется по электрическим сетям . [4]
Системы генерации переменного тока были известны в простых формах с момента открытия магнитной индукции электрического тока в 1830-х годах. Вращающиеся генераторы естественным образом производили переменный ток, но поскольку он был малопригоден для использования, его обычно преобразовывали в постоянный ток путем добавления коммутатора в генератор. [8] Ранние 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 ранние генераторы переменного тока, производящие частоты от 100 до 300 Гц.https ://www.reliablebusinessarena.com/traction-alternators-r857616
В конце 1870-х годов появились первые крупномасштабные электрические системы с центральными станциями генерации для питания дуговых ламп , которые использовались 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 ранних систем генерации переменного тока сопровождалась первым использованием слова «генератор переменного тока». [10] [8] Подача необходимого количества напряжения от генераторных станций в этих ранних системах была оставлена на усмотрение инженера в «управлении нагрузкой». [11] В 1883 году на заводе Ганца был изобретен генератор постоянного напряжения [12] , который мог выдавать указанное выходное напряжение независимо от величины фактической нагрузки. [13] Внедрение трансформаторов в середине 1880-х годов привело к широкому использованию переменного тока и использованию генераторов переменного тока, необходимых для его получения. [14] После 1891 года были введены многофазные генераторы переменного тока для подачи токов нескольких различных фаз. [15] Позднее генераторы переменного тока были разработаны для различных частот переменного тока от шестнадцати до примерно ста герц для использования с дуговым освещением, лампами накаливания и электродвигателями. [16] Специализированные радиочастотные генераторы переменного тока, такие как генератор Александера, были разработаны как длинноволновые радиопередатчики во время Первой мировой войны и использовались в нескольких мощных беспроводных телеграфных станциях, прежде чем их заменили передатчики на электронных лампах. [ необходима ссылка ]
Проводник, движущийся относительно магнитного поля, создает в нем электродвижущую силу (ЭДС) ( закон Фарадея ). Эта ЭДС меняет свою полярность, когда он движется под магнитными полюсами противоположной полярности. Обычно вращающийся магнит, называемый ротором , вращается внутри неподвижного набора проводников, называемых статором , намотанных в катушках на железном сердечнике. Поле пересекает проводники, создавая индуцированную ЭДС (электродвижущую силу), поскольку механический вход заставляет ротор вращаться. [ необходима цитата ]
Вращающееся магнитное поле индуцирует переменное напряжение в обмотках статора. Поскольку токи в обмотках статора изменяются в соответствии с положением ротора, генератор переменного тока является синхронным генератором. [3]
Магнитное поле ротора может быть создано постоянными магнитами или электромагнитом катушки поля. Автомобильные генераторы переменного тока используют обмотку ротора, которая позволяет контролировать генерируемое напряжение генератора путем изменения тока в обмотке поля ротора. Машины с постоянными магнитами избегают потерь из-за намагничивающего тока в роторе, но ограничены в размерах из-за стоимости материала магнита. Поскольку поле постоянного магнита постоянно, напряжение на клеммах изменяется напрямую со скоростью генератора. Бесщеточные генераторы переменного тока обычно больше тех, которые используются в автомобильных приложениях. [ необходима цитата ]
Устройство автоматического управления напряжением управляет током поля, чтобы поддерживать постоянное выходное напряжение. Если выходное напряжение от неподвижных катушек якоря падает из-за увеличения спроса, больший ток подается на вращающиеся катушки поля через регулятор напряжения (VR). Это увеличивает магнитное поле вокруг катушек поля, что индуцирует большее напряжение в катушках якоря. Таким образом, выходное напряжение возвращается к своему первоначальному значению. [ необходима цитата ]
Генераторы переменного тока, используемые на центральных электростанциях, также управляют током поля для регулирования реактивной мощности и для стабилизации энергосистемы от последствий кратковременных сбоев . Часто имеются три набора обмоток статора, физически смещенных так, что вращающееся магнитное поле создает трехфазный ток, смещенный на одну треть периода относительно друг друга. [17]
Один цикл переменного тока производится каждый раз, когда пара полюсов поля проходит через точку на неподвижной обмотке. Соотношение между скоростью и частотой следующее : , где - частота в Гц (циклах в секунду). - число полюсов (2, 4, 6, …), а - скорость вращения в оборотах в минуту (об/мин). Старые описания систем переменного тока иногда дают частоту в терминах чередований в минуту, считая каждый полупериод одним чередованием ; так что 12 000 чередований в минуту соответствуют 100 Гц. [ необходима цитата ]
Выходная частота генератора переменного тока зависит от числа полюсов и скорости вращения. Скорость, соответствующая определенной частоте, называется синхронной скоростью . В этой таблице [18] приведены некоторые примеры:
Генераторы можно классифицировать по способу возбуждения, числу фаз, типу вращения, способу охлаждения и их применению. [19]
Существует два основных способа создания магнитного поля, используемого в генераторах переменного тока: с помощью постоянных магнитов , которые создают свое постоянное магнитное поле, или с помощью катушек возбуждения . Генераторы переменного тока, которые используют постоянные магниты, называются магнето . [ необходима цитата ]
В других генераторах переменного тока обмотки возбуждения образуют электромагнит , создающий вращающееся магнитное поле. [ необходима ссылка ]
Устройство, которое использует постоянные магниты для получения переменного тока, называется генератором переменного тока с постоянными магнитами (PMA). Генератор постоянного магнита (PMG) может производить как переменный ток, так и постоянный ток, если у него есть коммутатор . [ необходима цитата ]
Этот метод возбуждения состоит из меньшего генератора постоянного тока (DC), закрепленного на том же валу, что и генератор переменного тока. Генератор постоянного тока генерирует небольшое количество электричества, достаточное только для возбуждения катушек возбуждения подключенного генератора переменного тока для выработки электроэнергии. Разновидностью этой системы является тип генератора переменного тока, который использует постоянный ток от батареи для начального возбуждения при запуске, после чего генератор переменного тока становится самовозбуждающимся. [19]
Этот метод возбуждения состоит из меньшего генератора переменного тока (AC), закрепленного на том же валу, что и генератор переменного тока. Статор переменного тока генерирует небольшое количество тока возбуждения катушки возбуждения, который индуцируется в роторе и выпрямляется в постоянный ток мостовым выпрямителем, встроенным в обмотки, где он возбуждает катушки возбуждения большего подключенного генератора переменного тока для выработки электроэнергии. Эта система имеет преимущество в том, что не требует щеток, что увеличивает срок службы, хотя и с немного более низкой общей эффективностью. Разновидностью этой системы является тип генератора переменного тока, который использует постоянный ток от батареи для начального возбуждения при запуске, после чего генератор переменного тока становится самовозбуждающимся. [19]
Этот метод основан на остаточном магнетизме, сохраняющемся в железном сердечнике, для генерации слабого магнитного поля, что позволяет генерировать слабое напряжение. Это напряжение используется для возбуждения катушек поля, чтобы генератор переменного тока мог генерировать более сильное напряжение в рамках процесса его наращивания . После первоначального наращивания напряжения переменного тока поле снабжается выпрямленным напряжением от генератора переменного тока. [19]
Бесщеточный генератор состоит из двух генераторов, установленных вплотную на одном валу. До 1966 года генераторы использовали щетки с вращающимся полем. [20] С развитием полупроводниковой технологии стали возможны бесщеточные генераторы. Меньшие бесщеточные генераторы могут выглядеть как одно целое, но эти две части легко идентифицируются в больших версиях. Основной генератор — это большая из двух секций, а меньшая — это возбудитель. Возбудитель имеет неподвижные катушки поля и вращающийся якорь (силовые катушки). Основной генератор 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. Основной генератор имеет вращающееся поле и неподвижный якорь (обмотки выработки электроэнергии).
Изменение величины тока через неподвижные катушки возбуждения поля изменяет 3-фазный выход возбудителя. Этот выход выпрямляется вращающимся выпрямительным узлом, установленным на роторе, и результирующий постоянный ток питает вращающееся поле главного генератора и, следовательно, выход генератора. Результатом является то, что небольшой постоянный ток возбудителя косвенно управляет выходом главного генератора. [21]
Другой способ классификации генераторов переменного тока — по количеству фаз выходного напряжения. Выход может быть однофазным или многофазным. Трехфазные генераторы переменного тока являются наиболее распространенными, но многофазные генераторы переменного тока могут быть двухфазными, шестифазными или более. [19]
Вращающейся частью генераторов переменного тока может быть якорь или магнитное поле. Вращающийся якорный тип имеет якорь, намотанный на ротор, где обмотка движется через стационарное магнитное поле. Вращающийся якорный тип используется нечасто. [19] Вращающийся полевой тип имеет магнитное поле на роторе для вращения через стационарную обмотку якоря. Преимущество состоит в том, что тогда цепь ротора несет гораздо меньшую мощность, чем цепь якоря, что делает соединения контактных колец меньше и менее дорогими; для ротора постоянного тока требуется только два контакта, тогда как часто обмотка ротора имеет три фазы и несколько секций, каждая из которых требует соединения контактных колец. Стационарный якорь может быть намотан для любого удобного уровня среднего напряжения, до десятков тысяч вольт; производство соединений контактных колец для более чем нескольких тысяч вольт является дорогостоящим и неудобным. [ необходима цитата ]
Многие генераторы охлаждаются окружающим воздухом, который прогоняется через корпус вентилятором, прикрепленным к валу, который приводит генератор в действие. В таких транспортных средствах, как транзитные автобусы, высокие требования к электрической системе могут потребовать, чтобы большой генератор был масляным. [22] В морских приложениях также используется водяное охлаждение. Дорогие автомобили могут использовать водяное охлаждение генераторов для удовлетворения высоких требований к электрической системе. [ необходима цитата ]
Большинство электростанций используют синхронные машины в качестве генераторов. Подключение этих генераторов к коммунальной сети требует соблюдения условий синхронизации. [23]
Генераторы используются в современных автомобилях с двигателем внутреннего сгорания для зарядки аккумуляторной батареи и питания электрической системы при работающем двигателе. [ необходима цитата ]
До 1960-х годов автомобили использовали динамо -генераторы постоянного тока с коммутаторами . С появлением доступных кремниевых диодных выпрямителей вместо них стали использовать генераторы переменного тока. [ необходима цитата ]
В более поздних дизель-электрических локомотивах и дизель-электрических моторвагонных поездах первичный двигатель вращает генератор переменного тока, который обеспечивает электроэнергией тяговые двигатели (переменного или постоянного тока). [ необходима ссылка ]
Тяговый генератор обычно включает в себя встроенные кремниевые диодные выпрямители для обеспечения тяговых двигателей постоянным током напряжением до 1200 вольт. [ необходима цитата ]
Первые дизельные электровозы, и многие из тех, что все еще 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 большего главного генератора. [ необходима цитата ]
Опционально генератор также обеспечивает питание головной станции (HEP) или питание для электропоезда . Опция HEP требует постоянной скорости двигателя, обычно 900 об/мин для 480 В 60 Гц HEP приложения, даже когда локомотив не движется. [ необходима цитата ]
Морские генераторы переменного тока, используемые на яхтах, похожи на автомобильные генераторы переменного тока с соответствующей адаптацией к среде соленой воды. Морские генераторы переменного тока спроектированы так, чтобы быть взрывобезопасными (защищенными от воспламенения), чтобы искрение щеток не воспламеняло взрывоопасные газовые смеси в среде машинного отделения. В зависимости от типа установленной системы они могут быть 12 или 24 вольта. Более крупные морские дизели могут иметь два или более генераторов переменного тока, чтобы справиться с большим электрическим спросом современной яхты. В цепях с одним генератором мощность может быть разделена между пусковой батареей двигателя и домашней или домашней батареей (или батареями) с помощью диода раздельного заряда ( изолятора батареи ) или реле, чувствительного к напряжению. Из-за высокой стоимости больших домашних батарейных блоков морские генераторы переменного тока обычно используют внешние регуляторы. Многоступенчатые регуляторы контролируют ток возбуждения, чтобы максимизировать эффективность зарядки (время зарядки) и срок службы батареи. Многоступенчатые регуляторы могут быть запрограммированы для различных типов батарей. Можно добавить два датчика температуры: один для аккумулятора, чтобы регулировать напряжение зарядки, и датчик перегрева на самом генераторе, чтобы защитить его от перегрева. [ необходима цитата ]
Высокочастотные генераторы переменного тока переменного сопротивления применялись в коммерческих целях для радиопередачи в низкочастотных радиодиапазонах. Они использовались для передачи кода Морзе и, экспериментально, для передачи голоса и музыки. В генераторе Александера как обмотка возбуждения, так и обмотка якоря были неподвижны, а ток индуцировался в якоре изменяющимся магнитным сопротивлением ротора (который не имел обмоток или токоведущих частей). Такие машины были созданы для производства радиочастотного тока для радиопередач, хотя эффективность была низкой. [ необходима цитата ]
