Мотор -генератор ( набор M–G ) — это устройство для преобразования электроэнергии в другую форму. Мотор-генераторные установки используются для преобразования частоты , напряжения или фазы мощности. Они также могут использоваться для изоляции электрических нагрузок от линии электроснабжения. Большие мотор-генераторы широко использовались для преобразования промышленных объемов энергии, в то время как меньшие мотор-генераторы (например, показанный на рисунке) использовались для преобразования энергии батареи в более высокие напряжения постоянного тока.
В то время как мотор-генераторная установка может состоять из отдельных машин двигателя и генератора, соединенных вместе, единый динамо-мотор (для динамо -мотора) имеет катушки двигателя и генераторные катушки, намотанные вокруг одного ротора; поэтому и двигатель, и генератор используют одни и те же внешние катушки поля или магниты. [1] Обычно катушки двигателя приводятся в действие от коммутатора на одном конце вала, в то время как катушки генератора обеспечивают выход на другой коммутатор на другом конце вала. Весь узел ротора и вала меньше, легче и дешевле, чем пара машин, и не требует открытых приводных валов.
Маломощные потребительские устройства, созданные до 1933 года, такие как автомобильные радиоприемники на электронных лампах , не использовали дорогие, шумные и громоздкие мотор-генераторы. Вместо этого они использовали инверторную схему, состоящую из вибратора (самовозбуждающегося реле) и трансформатора , чтобы производить более высокие напряжения, необходимые для электронных ламп, от автомобильной батареи 6 или 12 В. [2]
В контексте генерации электроэнергии и крупных стационарных электроэнергетических систем мотор-генератор состоит из электродвигателя, механически соединенного с электрогенератором (или генератором переменного тока ). Двигатель работает на электрическом входном токе, в то время как генератор создает электрический выходной ток, при этом мощность течет между двумя машинами в виде механического крутящего момента ; это обеспечивает электрическую изоляцию и некоторую буферизацию мощности между двумя электрическими системами.
Одним из вариантов использования является устранение скачков и колебаний «грязного питания» ( стабилизация питания ) или обеспечение согласования фаз между различными электрическими системами.
Другое применение — буферизация экстремальных нагрузок на энергосистему. Например, термоядерные устройства токамака создают очень большие пиковые нагрузки, но относительно низкие средние нагрузки на электросеть. Токамак DIII-D в General Atomics , Princeton Large Torus (PLT) в Принстонской лаборатории физики плазмы и синхротрон Nimrod в Лаборатории Резерфорда-Эпплтона использовали большие маховики на нескольких установках мотор-генератора для выравнивания нагрузки, накладываемой на электрическую систему: сторона двигателя медленно разгоняла большой маховик для хранения энергии , которая быстро потреблялась во время эксперимента по термоядерному синтезу, поскольку сторона генератора действовала как тормоз маховика. Аналогичным образом, следующее поколение системы запуска самолетов ВМС США Electromagnetic Aircraft Launch System (EMALS) будет использовать установку мотор-генератора с маховиком для мгновенной подачи энергии для запусков самолетов с мощностью, превышающей установленную мощность генератора корабля. В дополнение к вышеуказанным специализированным приложениям, системы маховик-генератор были коммерциализированы для использования в центрах обработки данных в качестве дополнения или альтернативы более традиционным источникам бесперебойного питания (ИБП) на основе аккумуляторов или генераторов. [3]
Мотор-генераторы могут использоваться для различных преобразований, включая:
До того, как твердотельное регулирование переменного напряжения стало доступным или экономически эффективным, для обеспечения переменного напряжения использовались мотор-генераторные установки. Постоянное напряжение на якоре генератора изменялось вручную или электронным способом для управления выходным напряжением. При использовании таким образом установка MG эквивалентна изолированному переменному трансформатору.
Генератор переменного тока Alexanderson — это высокочастотный генератор переменного тока с электроприводом, который обеспечивает радиочастотную мощность. На заре радиосвязи высокочастотную несущую волну приходилось создавать механически с помощью генератора переменного тока со многими полюсами, вращающимися на высоких скоростях. Генераторы переменного тока Alexanderson вырабатывали радиочастоты до 600 кГц, а большие блоки могли выдавать мощность 500 кВт. В то время как электромеханические преобразователи регулярно использовались для передачи длинных волн в первые три десятилетия 20-го века, на более высоких частотах требовались электронные методы. Генератор переменного тока Alexanderson был в значительной степени заменен ламповым генератором в 1920-х годах.
Мотор-генераторы использовались даже там, где входной и выходной токи были по сути одинаковыми. В этом случае механическая инерция набора M–G использовалась для фильтрации переходных процессов во входной мощности. Электрический ток на выходе может быть очень чистым (без шума) и сможет выдерживать кратковременные отключения и переходные процессы переключения на входе набора M–G. Это может обеспечить, например, безупречное переключение с сетевого питания на переменный ток, обеспечиваемый дизель- генераторной установкой.
Мотор-генераторная установка может содержать большой маховик для улучшения плавности хода; однако в этом случае необходимо учитывать, что мотор-генератору потребуется большой ток при повторном включении, если до момента вытягивания будет достигнут крутящий момент [ необходимо разъяснение ] , что приведет к отключению. Однако пусковой ток во время повторного включения будет зависеть от многих факторов. Например, мотор-генератор мощностью 250 кВА, работающий при токе полной нагрузки 300 ампер, потребует пускового тока 1550 ампер во время повторного включения через 5 секунд. В этом примере использовался фиксированный маховик, размер которого обеспечивал скорость нарастания 1 ⁄ 2 Гц в секунду . Мотор-генератор представлял собой двухопорную машину вертикального типа с подшипниками в масляной ванне.
Двигатели и генераторы могут быть соединены непроводящим валом на объектах, где необходимо тщательно контролировать электромагнитное излучение [5] или где требуется высокая степень изоляции от переходных перенапряжений.
Мотор-генераторные установки были заменены полупроводниковыми приборами для некоторых целей. В прошлом популярным применением MG-установок были лифты . Поскольку требовалось точное управление скоростью подъемной машины, непрактичность изменения частоты для двигателя переменного тока высокой мощности означала, что использование MG-установки с подъемным двигателем постоянного тока было почти стандартным решением в отрасли. Современная электроника переменного тока с частотно-регулируемым приводом и совместимыми двигателями все больше вытесняет традиционные лифтовые установки с MG-приводом, поскольку электронные приводы переменного тока, как правило, на 50% или более эффективнее, чем машины с MG-приводом постоянного тока. [6]
Другое применение для MG-наборов было в южном регионе British Rail . Они использовались для преобразования 600 В постоянного тока - 850 В постоянного тока линейного напряжения питания от третьего рельса в 70 В постоянного тока для питания органов управления используемого состава EMU . С тех пор они были заменены твердотельными преобразователями на новом подвижном составе. [7] MG-локомотивы также широко использовались для трансмиссии дизельных локомотивов дальнего следования по всему миру из-за надежности и проблем с износом механических и жидкостных трансмиссий, но их обычно заменяют двигателями меньшего размера с обычной или MG-трансмиссией на каждом вагоне. Дальние электровозы с высоковольтным воздушным питанием использовали MG-трансмиссию, но ее обычно заменяют распределенным приводом двигателя на каждом вагоне с электронным управлением и преобразованием мощности. [8]
Аналогично, наборы MG использовались в трамвае PCC для получения выходного напряжения 36 В постоянного тока из тягового источника 600 В постоянного тока. Низковольтный выход заряжает аккумуляторы трамвая и подает ток для управления и вспомогательного оборудования (включая фары, гонговые звонки, дверные двигатели и электромагнитные рельсовые тормоза).
В 1950–1960-х годах мотор-генераторные установки часто использовались для подачи сильноточного постоянного тока на угольные дуговые лампы в больших кинопроекторах , до того как дуговые лампы с угольными электродами были заменены современными проекционными системами с ксеноновыми дуговыми лампами (начиная с 1963 года в США).
В промышленных условиях, где требуется подавление гармоник, преобразование частоты или изоляция линии, наборы MG остаются популярным решением. [ требуется цитата ] Полезной особенностью мотор-генераторов является то, что они могут справляться с большими кратковременными перегрузками лучше, чем полупроводниковые приборы с той же средней номинальной нагрузкой. Учтите, что термически ограниченные по току компоненты большого полупроводникового инвертора представляют собой твердотельные переключатели массой несколько граммов с тепловой постоянной времени для их радиаторов, вероятно, более 100 мс, тогда как термически ограниченные по току компоненты MG представляют собой медные обмотки массой иногда сотни килограммов, которые по своей природе прикреплены к своей большой тепловой массе. Они также обладают изначально превосходной устойчивостью к электростатическому разряду (ESD).
В принципе, любой электрический генератор может также служить электродвигателем, или наоборот. В гибридных транспортных средствах и других легких энергосистемах «мотор-генератор» — это отдельная электрическая машина, которая может использоваться как электродвигатель или генератор , преобразуя между электрической и механической энергией .
С сезона 2014 года гоночные автомобили Формулы-1 будут иметь два так называемых «двигателя-генераторных агрегата» (MGU) [9] . Это делает автомобили более экономичными за счет сбора энергии из турбокомпрессора и при торможении . Однако это не двигатели-генераторы, как описано здесь, а скорее динамо-моторы , отдельные агрегаты, которые могут действовать как генератор или двигатель. Их можно использовать для подачи дополнительных 160 л. с. на колеса, чтобы помочь ускорению и обгону, или для вращения турбины для более быстрого увеличения давления наддува, тем самым уменьшая турбо-лаг .
