Мотор -генератор ( комплект М–Г ) — устройство для преобразования электрической энергии в другую форму. Мотор-генераторные установки используются для преобразования частоты , напряжения или фазы мощности. Их также можно использовать для изоляции электрических нагрузок от линии электропитания. Большие моторы-генераторы широко использовались для преобразования промышленного количества энергии, в то время как меньшие моторы-генераторы (например, тот, что показан на рисунке) использовались для преобразования энергии аккумуляторов в более высокие напряжения постоянного тока.
В то время как установка двигатель-генератор может состоять из отдельных двигателей и генераторных машин, соединенных вместе, в одном динамо-двигателе (для динамо -двигателя) катушки двигателя и катушки генератора намотаны вокруг одного ротора; Таким образом, и двигатель, и генератор используют одни и те же катушки или магниты внешнего поля. [1] Обычно катушки двигателя приводятся в действие от коммутатора на одном конце вала, в то время как катушки генератора обеспечивают выходной сигнал 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.
В маломощных потребительских устройствах, таких как ламповые автомобильные радиоприемники, не использовались дорогие, шумные и громоздкие мотор-генераторы. Вместо этого они использовали инверторную схему, состоящую из вибратора (самовозбуждающегося реле) и трансформатора для получения более высокого напряжения, необходимого для электронных ламп, от аккумуляторной батареи автомобиля на 6 или 12 В. [2]
В контексте производства электроэнергии и крупных стационарных электроэнергетических систем двигатель-генератор состоит из электродвигателя, механически соединенного с электрическим генератором (или генератором переменного тока ). Двигатель работает от входного электрического тока, в то время как генератор создает выходной электрический ток, при этом мощность передается между двумя машинами в виде механического крутящего момента ; это обеспечивает электрическую изоляцию и некоторую буферизацию мощности между двумя электрическими системами.
Одним из применений является устранение скачков и изменений «грязной мощности» ( кондиционирование мощности ) или обеспечение согласования фаз между различными электрическими системами.
Другое применение — буферизация экстремальных нагрузок в энергосистеме. Например, термоядерные устройства токамака создают очень большие пиковые нагрузки, но относительно низкие средние нагрузки на электрическую сеть. В токамаке DIII -D в компании General Atomics , в Принстонском Большом Торе (PLT) в Принстонской лаборатории физики плазмы и в синхротроне Нимрода в Лаборатории Резерфорда Эпплтона использовались большие маховики на нескольких установках мотор-генератор для выравнивания нагрузки, налагаемой на электрические цепи. Система: сторона двигателя медленно ускоряла большой маховик для накопления энергии , которая быстро расходовалась во время эксперимента по термоядерному синтезу, поскольку сторона генератора действовала как тормоз на маховике. Аналогичным образом, электромагнитная система запуска самолетов (EMALS) на авианосце ВМС США следующего поколения будет использовать маховик двигателя-генератора для мгновенной подачи энергии для запуска самолетов с мощностью, превышающей установленную на корабле мощность генератора. В дополнение к вышеупомянутым 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 батарей или генераторов. [3]
Мотор-генераторы могут использоваться для различных преобразований, в том числе:
До того, как полупроводниковое регулирование напряжения переменного тока стало доступным или экономически эффективным, двигатели-генераторы использовались для обеспечения переменного напряжения переменного тока. Постоянное напряжение на якоре генератора будет изменяться вручную или электронным способом для управления выходным напряжением. При таком использовании комплект MG эквивалентен изолированному регулируемому трансформатору.
Генератор Александерсона — это высокочастотный генератор с электроприводом, обеспечивающий радиочастотную мощность. На заре радиосвязи высокочастотную несущую волну приходилось создавать механически с помощью генератора переменного тока со множеством полюсов, приводившихся в движение на высоких скоростях. Генераторы переменного тока Alexanderson производят радиочастотные сигналы частотой до 600 кГц, а большие агрегаты способны выдавать выходную мощность 500 кВт. В то время как электромеханические преобразователи регулярно использовались для передачи длинных волн в первые три десятилетия 20-го века, электронные методы требовались на более высоких частотах. Генератор Александерсона был в значительной степени заменен ламповым генератором в 1920-х годах.
Моторы-генераторы использовались даже там, где входной и выходной токи практически одинаковы. В этом случае механическая инерция набора M – G используется для фильтрации переходных процессов во входной мощности. Электрический ток на выходе может быть очень чистым (без шумов) и сможет выдерживать кратковременные отключения электроэнергии и переходные процессы переключения на входе в набор M – G. Это может обеспечить, например, безупречное переключение с сети на питание переменного тока, обеспечиваемое дизель- генераторной установкой.
Мотор-генераторная установка может содержать большой маховик для улучшения его проходимости; однако в этом приложении необходимо принять во внимание, что двигатель-генератор потребует большой ток при повторном включении, если до момента выдергивания [ необходимы пояснения ] достигается останов. Однако пусковой ток при повторном включении будет зависеть от многих факторов. Например, двигатель-генератор мощностью 250 кВА, работающий при токе полной нагрузки 300 ампер, потребует пусковой ток 1550 ампер во время повторного включения через 5 секунд. В этом примере использовался фиксированно установленный 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 изоляция от переходных импульсных напряжений.
Мотор-генераторные установки для некоторых целей были заменены полупроводниковыми приборами . В прошлом комплекты MG широко использовались в лифтах . Поскольку требовалось точное управление скоростью подъемной машины, непрактичность изменения частоты для двигателя переменного тока большой мощности означала, что использование установки MG с подъемным двигателем постоянного тока было решением, близким к отраслевому стандарту. Современная электроника частотно-регулируемого привода переменного тока с совместимыми двигателями все больше вытесняет традиционные лифтовые установки с приводом от MG, поскольку электронные приводы переменного тока обычно более эффективны на 50% или более, чем машины MG с приводом от постоянного тока. [6]
Еще одно применение комплектов MG было в южном регионе British Rail . Они использовались для преобразования напряжения питания 600–850 В постоянного тока от третьего рельса в 70 В постоянного тока для питания элементов управления используемого парка электропоездов . С тех пор на новом подвижном составе они были заменены твердотельными преобразователями. [7] Локомотивы MG также широко используются для трансмиссии дизельных локомотивов на дальние расстояния по всему миру из-за проблем с надежностью и износом механических и жидкостных трансмиссий, но обычно их заменяют двигателями меньшего размера с обычной трансмиссией или трансмиссией MG на каждом вагоне. . В электровозах дальнего следования с высоковольтным воздушным источником питания используется трансмиссия MG, но обычно ее заменяют распределенным электроприводом на каждом вагоне с электронным управлением и преобразованием мощности. [8]
Аналогично, комплекты MG использовались в трамвае PCC для получения выходного напряжения 36 В постоянного тока из тягового источника постоянного тока 600 В. Выход низкого напряжения заряжает аккумуляторы трамвая и подает ток для контрольного и вспомогательного оборудования (включая фары, гонги, дверные двигатели и электромагнитные путевые тормоза).
Мотор-генераторные установки часто использовались для обеспечения сильноточного постоянного тока для угольных дуговых ламп в больших кинопроекторах в эпоху 1950-60-х годов, до того как дуговые лампы с угольным электродом были заменены современными проекционными системами с ксеноновыми дуговыми лампами (начиная с 1963 г. Соединенные штаты).
В промышленных условиях, где требуется подавление гармоник, преобразование частоты или изоляция линии, комплекты MG остаются популярным решением. [ нужна цитата ] Полезной особенностью двигателей-генераторов является то, что они могут выдерживать большие кратковременные перегрузки лучше, чем полупроводниковые устройства с той же средней номинальной нагрузкой. Учтите, что термически ограниченные по току компоненты большого полупроводникового инвертора представляют собой полупроводниковые переключатели массой несколько граммов с тепловой постоянной времени до их радиаторов, вероятно, более 100 мс, тогда как термически ограниченные по току компоненты MG представляют собой медные обмотки. иногда достигающие сотен килограммов, которые неразрывно связаны с их собственной большой тепловой массой. Они также обладают превосходной устойчивостью к электростатическим разрядам (ESD).
В принципе, любой электрический генератор может выполнять функцию электродвигателя, и наоборот. В гибридных транспортных средствах и других легких энергосистемах «мотор-генератор» представляет собой единую электрическую машину, которую можно использовать в качестве электродвигателя или генератора , преобразуя электрическую энергию в механическую .
С сезона 2014 года гоночные автомобили Формулы 1 будут иметь два так называемых «мотор-генераторных агрегата» (MGU) [9]. Это сделает автомобили более экономичными за счет сбора энергии от турбонагнетателя и при торможении . Однако это не мотор-генераторы, как описано здесь, а скорее динамомоторы , отдельные агрегаты, которые могут действовать как генератор или двигатель. Их можно использовать для подачи на колеса дополнительных 160 л.с. для ускорения и обгона или для раскрутки турбонаддува, чтобы быстрее увеличить давление наддува, тем самым уменьшая турбо-лаг .
