Generator

Den aktuella versionen av sidan har ännu inte granskats av erfarna bidragsgivare och kan skilja sig väsentligt från versionen som granskades den 2 maj 2021; kontroller kräver 7 redigeringar .

En växelströmsgenerator ("generator") är en elektrisk maskin som omvandlar mekanisk energi till elektrisk växelströmsenergi . De flesta generatorer använder ett roterande magnetfält .

Principen för generatorns drift är att omvandla mekanisk energi till elektrisk energi genom att rotera en trådspole i ett magnetfält. En elektrisk ström genereras också när kraftlinjerna hos en magnet i rörelse skär varven på en trådspole. Elektronerna rör sig mot magnetens positiva pol, och den elektriska strömmen flyter från den positiva polen till den negativa polen. Så länge som magnetfältslinjerna korsar spolen (ledaren) induceras en elektrisk ström i ledaren. En liknande princip fungerar också när trådramen rör sig i förhållande till magneten, det vill säga när ramen korsar magnetfältslinjerna. Den inducerade elektriska strömmen flyter på ett sådant sätt att dess fält stöter bort magneten när ramen närmar sig den och attraherar när ramen rör sig bort. Varje gång ramen ändrar orientering med avseende på magnetens poler, vänder den elektriska strömmen också sin riktning. Så länge som källan till mekanisk energi roterar ledaren (eller magnetfältet), kommer generatorn att producera en elektrisk växelström.

Historik

Elektriska maskiner som genererar växelström har varit kända i en enkel form sedan upptäckten av den magnetiska induktionen av elektrisk ström . Tidiga maskiner designades av Michael Faraday och Hippolyte Pixie .

Faraday utvecklade en "roterande rektangel" som var multi -polär - varje aktiv ledare leddes i serie genom ett område där magnetfältet var i motsatta riktningar. Den första offentliga demonstrationen av det mest kraftfulla "generatorsystemet" ägde rum 1886 . En stor tvåfasgenerator byggdes av den brittiske elektrikern James Henry Gordon . Lord Kelvin och Sebastian Ferranti ( eng. Sebastian Pietro Innocenzo Adhemar Ziani de Ferranti ) utvecklade också en tidig generator som producerade växelström vid en frekvens mellan 100 och 300 hertz . 1891 patenterade Nikola Tesla en praktisk "högfrekvent" generator (som fungerade med en frekvens på cirka 15 000 hertz). Efter 1891 uppfanns flerfasgeneratorer. En trefasströmgenerator med en tretrådsbelastning utvecklades och demonstrerades av den ryska ingenjören Dolivo-Dobrovolsky , som arbetade som chefsingenjör för Berlin-företaget AEG . 1893 användes uppfinningen som han demonstrerade av A.N. Shchensnovich vid konstruktionen av det första industriella trefaskraftverket som en del av spannmålshissen i Novorossiysk. [ett]

Generatorteori

Principen för driften av generatorn är baserad på lagen om elektromagnetisk induktion - induktionen av en elektromotorisk kraft i en rektangulär krets (trådram) belägen i ett enhetligt roterande magnetfält . Eller vice versa, en rektangulär krets roterar i ett enhetligt fast magnetfält.

Låt oss anta att ett enhetligt magnetfält skapat av en permanentmagnet roterar runt sin axel i en ledande slinga (trådram) med en enhetlig vinkelhastighet . Två lika vertikala sidor av konturen (se figur) är aktiva , eftersom de korsas av magnetfältets magnetiska linjer. Två horisontella sidor av konturen som är lika separata är inte aktiva, eftersom magnetfältets magnetiska linjer inte korsar dem, de magnetiska linjerna glider längs de horisontella sidorna, den elektromotoriska kraften bildas inte i dem. $\omega$

I var och en av de aktiva sidorna av kretsen induceras en elektromotorisk kraft, vars värde bestäms av formeln:

$e_{1}=Blv\sin \omega t$ och , $e_{2}=Blv\sin(\omega t+$ $\pi$ $)=-Blv\sin \omega t$

var

$e_{1}$ och - momentana värden på de elektromotoriska krafterna som induceras i de aktiva sidorna av kretsen, i volt ; $e_{2}$

$B$ - magnetisk induktion av magnetfältet i volt - sekunder per kvadratmeter ( T , Tesla );

$l$ - längden på var och en av de aktiva sidorna av konturen i meter ;

$v$ - linjär hastighet med vilken de aktiva sidorna av konturen roterar, i meter per sekund;

$t$ — tid i sekunder ;

$\omega t$ och är de vinklar med vilka magnetlinjerna skär konturens aktiva sidor. $\omega t+$ $\pi$

Eftersom de elektromotoriska krafterna som induceras i de aktiva sidorna av kretsen verkar i enlighet med varandra, kommer den resulterande elektromotoriska kraften som induceras i kretsen,

kommer att vara lika , det vill säga den inducerade elektromotoriska kraften i kretsen ändras enligt en sinusformad lag. $e=2Blv\sin \omega t$

Om ett enhetligt magnetfält roterar i kretsen med en enhetlig vinkelhastighet, induceras en sinusformad elektromotorisk kraft i den .

Du kan omvandla formeln genom att uttrycka den i termer av det maximala magnetiska flödet som penetrerar kretsen. $e=2Blv\sin \omega t$ ${\displaystyle \Phi _{m))$

Den relativa linjära hastigheten för de aktiva sidorna är lika med produkten av rotationsradien och vinkelhastigheten , dvs. $v$ ${\frac {\alpha }{2}}$ $\omega$ $v={\frac {\alpha }{2}}\omega$

Då får vi $e=2Bl{\frac {\alpha }{2))\omega \sin \omega t$

var

${\displaystyle \omega \Phi _{m))$ är amplituden för den sinusformade elektromotoriska kraften;

$\omega t$ är fasen för den sinusformade elektromotoriska kraften;

$\omega$ är vinkelhastigheten för den sinusformade elektromotoriska kraften, i detta fall lika med magnetens vinkelhastighet i kretsen.

Med tanke på att kretsen består av många trådvarv är den elektromotoriska kraften proportionell mot antalet varv och formeln kommer att se ut så här : $w$ $e=w2Bl{\frac {\alpha }{2}}\omega \sin \omega t$

Om vi anger det maximala magnetiska flödet i formeln, då . $e=w\Phi _{m}\sin \omega t$

Generatorenhet

Genom design kan vi särskilja:

generatorer med fasta magnetiska poler och roterande ankare ;
generatorer med roterande magnetiska poler och fast stator.

De senare har blivit mer utbredda, eftersom på grund av statorlindningens orörlighet finns det inget behov av att ta bort en stor högspänningsström från rotorn med hjälp av glidkontakter (borstar) och släpringar .

Den rörliga delen av generatorn kallas rotorn och den fasta delen kallas statorn .

Statorn är sammansatt av separata järnplåtar isolerade från varandra. På statorns inre yta finns spår där trådarna i statorlindningen på generatorn är införda.

Rotorn är vanligtvis gjord av massivt järn, polstyckena på rotorns magnetiska poler är sammansatta av plåt. Under rotation finns det ett minsta gap mellan statorn och rotorns poldelar för att skapa högsta möjliga magnetiska induktion. Den geometriska formen på polstyckena väljs så att strömmen som genereras av generatorn är så nära sinusformad som möjligt.

Excitationsspolar som matas av likström placeras på polernas kärnor. Likström tillförs med hjälp av borstar till släpringar placerade på generatoraxeln .

Enligt excitationsmetoden är generatorer indelade i:

generatorer vars excitationslindningar drivs av likström från en extern elektrisk energikälla, såsom ett batteri ( generatorer med oberoende excitation ).
generatorer vars magnetiseringslindningar drivs av en extern lågeffekts DC-generator ( exciter ) som sitter på samma axel som generatorn den betjänar.
generatorer, vars excitationslindningar matas av den likriktade strömmen från själva generatorerna ( självexciterade generatorer ). Se även borstlös synkrongenerator .
generatorer med excitation från permanentmagneter .

Strukturellt kan vi urskilja:

generatorer med uttalade poler;
generatorer med implicita poler.

Genom antalet faser kan vi särskilja:

enfasgeneratorer. Se även kondensatormotor , enfasmotor .
Tvåfasgeneratorer. Se även tvåfas elnät , tvåfasmotor .
Trefasgeneratorer. Se även trefas strömförsörjningssystem , trefasmotor .

Genom att ansluta faslindningarna i en trefasgenerator:

sextrådigt Tesla-system (har inget praktiskt värde);
stjärnanslutning";
deltaanslutning";
anslutning av sex lindningar i form av en "stjärna" och en "triangel" på en stator.

Den vanligaste är "stjärnan"-kopplingen med en neutral tråd (fyrtrådskrets), vilket gör det enkelt att kompensera för fasobalanser och eliminerar uppkomsten av en konstant komponent och parasitiska ringströmmar i generatorns lindningar, vilket leder till energiförluster och överhettning.

Eftersom i praktiken, i kraftnät med många små förbrukare, är belastningen på olika faser inte symmetrisk (olika elektrisk effekt är ansluten , eller till exempel en aktiv belastning på en fas, och induktiv eller kapacitiv på den andra , då när den är ansluten med en "triangel" eller "stjärna" utan neutral ledning , du kan få ett sådant obehagligt fenomen som " fasobalans ", till exempel, glödlampor anslutna till en av faserna lyser svagt, medan en alltför hög elektrisk spänning appliceras på de andra faserna och de påslagna enheterna "bränner ut".

Frekvensen för växelströmmen som produceras av generatorn

Dessa generatorer är synkrona , det vill säga vinkelhastigheten (antal varv) för det roterande magnetfältet beror linjärt på vinkelhastigheten (antal varv) för generatorrotorn och asynkrona , där det finns glidning, det vill säga eftersläpningen av statorns magnetfält från rotorns vinkelhastighet. På grund av en viss besvärlig reglering har asynkrongeneratorer fått lite distribution.

Om generatorrotorn är bipolär, kommer den inducerade elektromotoriska kraften att fullfölja en hel cykel av dess förändringar för ett helt varv.

Därför kommer frekvensen för den elektromotoriska kraften hos den synkrona generatorn att vara : $f = \frac{n}{60}$

var

$f$ - frekvens i hertz ;

$n$ - antalet rotorvarv per minut .

Om generatorn har ett antal polpar , kommer följaktligen frekvensen av den elektromotoriska kraften hos en sådan generator att vara $sid$

gånger frekvensen för den elektromotoriska kraften hos en bipolär generator : . $sid$ $f=p{\frac {n}{60}}$

Frekvensen av växelström i elektriska nätverk måste följas strikt , i Ryssland och andra länder är det 50 perioder per sekund ( hertz ). I ett antal länder, till exempel i USA , Kanada , Japan , tillförs växelström med en frekvens på 60 hertz till det elektriska nätverket. Växelström med en frekvens på 400 hertz används i nätverket ombord av flygplan.

Tabellen visar beroendet av frekvensen för den genererade växelströmmen på antalet magnetiska poler och antalet varv hos generatorn

Denna faktor bör beaktas vid utformning av generatorer.

Antal stolpar	Antalet varv på rotorn för en frekvens på 50 hertz, per 1 minut	Antalet varv på rotorn för en frekvens på 60 hertz, per 1 minut	Antalet varv på rotorn för en frekvens på 400 hertz, per 1 minut
2	3000	3 600	24 000
fyra	1500	1800	12 000
6	1000	1 200	8000
åtta	750	900	6000
tio	600	720	4 800
12	500	600	4000
fjorton	428,6	514,3	3429
16	375	450	3000
arton	333,3	400	2667
tjugo	300	360	2400
40	150	180	1 200

Till exempel fungerar en ångturbin optimalt vid 3000 rpm, antalet generatorpoler är två.

Till exempel, för en dieselmotor som används i dieselkraftverk , är det optimala driftläget 750 rpm, då måste generatorn ha 8 poler.

Till exempel roterar massiva och låghastighets hydrauliska turbiner i stora vattenkraftverk med en hastighet av 150 varv per minut, då måste generatorn ha 40 poler.

Dessa exempel ges för en växelströmsfrekvens på 50 hertz.

Synkrongeneratorparametrar

Huvudstorheterna som kännetecknar en synkrongenerator är:

elektrisk spänning vid terminalerna , volt ; $U$
strömstyrka , ampere ; $jag$
skenbar effekt [volt-ampere]
aktiv effekt , watt ; $Pi}$
antal rotorvarv per minut ; $n$
effektfaktor ( cosinus " phi " ) . $\cos \phi$
lindningsexitationstyp

Generatorns tomgångskarakteristik

Den elektromotoriska kraften hos en generator är proportionell mot storleken på det magnetiska flödet och antalet varv på generatorrotorn per minut: $\Phi$ $n$

$E=cn\Phi$ , där är proportionalitetskoefficienten (bestäms av generatorns konstruktion). $c$

Även om storleken på EMF för en synkron generator beror på rotorns varv, är det omöjligt att reglera det genom att ändra rotorns rotationshastighet, eftersom frekvensen av växelströmmen som genereras av generatorn är relaterad till antalet varv för generatorrotorn. När generatorn arbetar i elektriska nätverk måste frekvensen följas strikt (i Ryssland 50 hertz ). $n$

Därför är det enda sättet att ändra EMF-värdet för en synkrongenerator att ändra det magnetiska flödet . $\Phi$

Det magnetiska flödet är proportionellt mot styrkan av strömmen i kretsen ( A , ampere ) och induktansen ( H , henry ): $\Phi$ $jag$ $L$

$\Phi =LI$ .

Härifrån kommer formeln för EMF för en synkrongenerator att se ut så här :. $E=cnLI$

EMF-reglering genom att ändra det magnetiska flödet utförs genom att sekventiellt ansluta reostater eller elektroniska spänningsregulatorer till excitationslindningskretsen . Det finns släpringar på generatorrotorn , excitationsströmmen tillförs genom borstenheten ( glidkontakter ). I händelse av att en liten magnetiseringsgenerator är placerad på en gemensam axel med en generator, så sker regleringen indirekt genom att reglera magnetiseringsströmmen för magnetiseringsgeneratorn.

I fallet när växelströmsgeneratorer används med excitation från permanentmagneter (till exempel i småskalig kraftteknik), regleras utspänningen med hjälp av externa enheter: spänningsregulatorer och stabilisatorer . Se även AC-spänningsstabilisatorer , växelspänningsregulator .

Om det inte spelar någon roll vilken frekvensström som erhålls vid generatorterminalerna (till exempel likriktas sedan växelström, som på diesellokomotiv med AC-DC-transmission, såsom ТЭ109 , ТЭ114 , ТЭ129 , ТЭМ7 , etc.) - EMF regleras genom att både ändra magnetiseringsströmmen och ändra antalet varv för draggeneratorn .

Parallell drift av synkrona generatorer

Vid kraftverk är synkrongeneratorer kopplade till varandra parallellt för att samverka på ett gemensamt elnät . När belastningen på elnätet är låg fungerar bara en del av generatorerna, med ökad strömförbrukning (" rusningstid ") slås reservgeneratorer på. Denna metod är fördelaktig, eftersom varje generator arbetar med full kapacitet , därför med högsta effektivitet .

Synkronisering av generatorn med det elektriska nätverket

I det ögonblick då backupgeneratorn ansluts till elbussarna måste dess elektromotoriska kraft vara numeriskt lika med spänningen på dessa däck, ha samma frekvens med den och fasförskjutningen är lika med noll. Processen att föra backupgeneratorn till ett läge som ger det angivna villkoret kallas generatorsynkronisering .

Om detta villkor inte är uppfyllt (den anslutna generatorn sätts inte i synkront läge), kan en stor ström flyta från nätverket till generatorn, generatorn kommer att börja arbeta i elmotorläget, vilket kan leda till en olycka.

För att synkronisera den anslutna generatorn med det elektriska nätverket används speciella enheter, i sin enklaste form - ett synkronskop .

Synkroskopet är en glödlampa och en "noll" voltmeter , parallellkopplad med kontakterna på omkopplaren , som kopplar bort generatorn från nätverksbussarna (respektive hur många faser, hur många glödlampor och voltmetrar).

När omkopplaren är öppen visar sig den parallella enheten "glödlampa -" noll "voltmeter" vara ansluten i serie med kretsen "generatorfas - nätfas".

Efter att ha startat generatorn (med omkopplaren öppen) bringas den till nominell hastighet, och genom att justera exciteringsströmmen är spänningen vid generatorterminalerna och på nätverksbussarna ungefär densamma.

När generatorn närmar sig synkronisering börjar glödlamporna blinka, och i ögonblicket av nästan fullständig synkronisering slocknar de. Lamporna slocknar dock vid en spänning som inte är lika med noll; voltmetrar ("noll" voltmetrar) tjänar till att indikera fullständig noll . Så snart "noll" voltmetrarna visar 0 volt - generatorn och det elektriska nätverket är synkroniserade, kan du stänga omkopplaren. Om två glödlampor (på två faser) slocknar, men den tredje inte gör det, betyder det att en av generatorns faser är felaktigt ansluten till den elektriska nätverksbussen.

Fordonsgeneratorer

Trefasgeneratorer med en inbyggd halvledar trefas brygglikriktare används på moderna bilar för att ladda ett bilbatteri , såväl som för att driva elektriska konsumenter , såsom ett tändsystem , bilbelysning , en omborddator , en diagnostiska system och andra. Spänningskonstansen i ombordnätverket upprätthålls av en specialiserad spänningsregulator .

Användningen av generatorer för bilar gör att du kan minska de övergripande dimensionerna, vikten på generatorn, öka dess tillförlitlighet, samtidigt som den bibehåller eller till och med ökar dess effekt jämfört med DC-generatorer [2] .

Till exempel väger G-12 DC-generatorn ( GAZ-69 bil ) 11 kg, märkström 20 ampere och G-250P2 generator ( UAZ-469 bil ) med en massa på 5,2 kg producerar en märkström på 28 ampere.

Generatorer används i hybridfordon , vilket gör det möjligt att kombinera dragkraften från en förbränningsmotor och en elmotor . Detta undviker driften av förbränningsmotorn i lågbelastningsläget, samt för att implementera återvinning av kinetisk energi , vilket ökar kraftverkets bränsleeffektivitet.

På diesellokomotiv , såsom TE109 , TE114 , TE129 , TEM7 , TEM9 , TERA1 , TEP150 , 2TE25K , används AC-DC elektrisk transmission, synkrona trefasdrivna generatorer är installerade . DC-traktionsmotorer, elektriciteten som genereras av generatorn likriktas av en halvledarlikriktare. Att ersätta DC-generatorn med en växelströmsgenerator gjorde det möjligt att minska massan av elektrisk utrustning, reserven kan användas för att installera en kraftfullare dieselmotor . Drivgeneratorn kan dock inte användas som startmotor för en förbränningsmotor, starten görs av en likströmsgenerator för styrkretsar.

På ett experimentellt diesellokomotiv 2TE137 används nya ryska lok 2TE25A , TEM21 , AC-AC elektrisk transmission, med asynkrona dragmotorer.

Induktionsmotorer som generatorer

Som en reversibel elektrisk maskin kan en asynkron AC-motor överföras till generatorläget .

I generatorläge ändrar slirningen (skillnaden mellan rotorns vinkelhastighet och det roterande magnetfältets vinkelhastighet) tecken,
det vill säga induktionsmotorn fungerar som en asynkron generator .

Denna inkludering används främst vid transport för reostatisk eller regenerativ bromsning (där asynkrona används som dragmotorer ).

Kylning av generatorer

Under drift uppstår energiförluster i generatorn som omvandlas till värme och värmeelement. Även om effektiviteten hos moderna generatorer är mycket hög, är de absoluta förlusterna ganska stora, vilket leder till en betydande ökning av temperaturen på det aktiva stålet, koppar och isolering . En ökning av temperaturen hos strukturella element leder i sin tur till deras gradvisa förstörelse och en minskning av generatorns livslängd [3] [4] . För att förhindra detta används olika kylsystem.

Det finns följande typer av kylsystem: yt (indirekt) och direkt kylning [3] . Indirekt kylning kan i sin tur vara luft och väte.

Vätgaskylsystem installeras oftare på stora generatorer, eftersom de ger bättre värmeavledning [5] (Jämfört med luft har väte en högre värmeledningsförmåga och 10 gånger lägre densitet [6] ). Väte är brandfarligt och explosivt, så ventilationssystemisolering och högtrycksunderhåll används.

Se även

Anteckningar

↑ Rybnikova, I. A. Historiska aspekter av konstruktionen av anläggningar för spannmålsomlastning i Novorossiysk-hamnen vid 1800- och 1900-talens skifte / I. A. Rybnikova, A. M. Rybnikov // VESTNIK ISTU. - 2014. - Nr 7 (90). — ISSN 1814-3520 .
Kraftverket var avsett att ge kraft till hissmekanismernas elmotorer, .... Konstruktionen övervakades av A. N. Shchensnovich, som använde uppfinningen av I. O. Dolivo-Dobrovolsky. Ritningarna till stationen är gjorda av det schweiziska företaget Brown Boveri och all elektrisk utrustning tillverkades på plats i hissens mekaniska verkstäder, inklusive lindning och montering av elmotorerna.
↑ Generatorn som används i strömförsörjningssystemet för en personbil har samma fördelar.
↑ 1 2 Kraftverk och transformatorstationer. Ämne 2. Synkrongeneratorer och kompensatorer . Hämtad 29 april 2013. Arkiverad från originalet 5 mars 2016. (obestämd)
↑ Gaskylare för elektriska maskiner . Hämtad 29 april 2013. Arkiverad från originalet 17 maj 2013. (obestämd)
↑ Generatorvätekylningssystem (otillgänglig länk)
↑ Principen för drift och design av synkronmaskiner . Hämtad 29 april 2013. Arkiverad från originalet 13 september 2014. (obestämd)

Litteratur

Thompson, S. P. Dynamo-Electric Machinery: A Manual for Students of Electrotechnics: Del 1: [ eng. ] . - New York: Collier and Sons, 1902.

Länkar

Generatorer Arkiverade 29 april 2004 på Wayback Machine . Integrated Publishing (TPub.com).
Generator i trä med lågt varvtal . Force Field, Fort Collins, Colorado, USA.
Förstå 3-fas generatorer . WindStuffNow.
Generator, Arc och Spark. De första trådlösa sändarna . G0UTYs hemsida.
White, Thomas H., Generator-sändarutveckling (1891-1920) . EarlyRadioHistory.us.

Ordböcker och uppslagsverk	Britannica (online) Treccani
I bibliografiska kataloger	BNF : 123986174 J9U : 987007536063205171 LCCN : sh85041708