Generátor - Alternator

Generátorok, amelyeket 1909-ben készített a Ganz Works egy orosz vízerőmű áramtermelő csarnokában ( Prokudin-Gorsky fényképe , 1911).

Egy generátor egy elektromos generátort , amely alakítja a mechanikai energiát a villamos energia formájában váltakozó áram . A költségek és az egyszerűség kedvéért a legtöbb generátor forgó mágneses teret használ álló armatúrával . Esetenként lineáris generátort vagy forgó armatúrát használnak álló mágneses mezővel. Elvileg bármely váltóáramú elektromos generátort generátornak lehet nevezni, de általában ez a kifejezés az autóiparban és más belső égésű motorokban hajtott kis forgógépekre vonatkozik .

Generátor, amely egy állandó mágnes annak mágneses mező nevezzük magneto . Generátorok az erőművek által vezérelt gőzturbinák nevezzük turbó generátorok . Az erőművek nagy, 50 vagy 60 Hz -es háromfázisú generátorai generálják a világ elektromos áramának nagy részét, amelyet elektromos hálózatok osztanak el .

Történelem

1891 -ben a váltakozó áram első ipari felhasználásának tekintik a munkások a Westinghouse generátort az Ames Vízerőműben . Ezt a gépet 3000 voltos, 133 Hz-es, egyfázisú váltóáramot előállító generátorként használták, és egy 4,8 km-re lévő azonos gépet váltakozó áramú motorként.

A váltakozó áramot előállító rendszereket egyszerű formában ismerték az elektromos áram mágneses indukciójának felfedezéséből az 1830 -as években. A forgó generátorok természetesen váltakozó áramot állítottak elő, de mivel kevés haszna volt rá, rendszerint átalakították egyenárammá kommutátor hozzáadásával a generátorban. A korai gépeket olyan úttörők fejlesztették ki, mint Michael Faraday és Hippolyte Pixii . Faraday kifejlesztette a "forgó téglalapot", amelynek működése heteropoláris volt - minden aktív vezető egymás után haladt át olyan területeken, ahol a mágneses mező ellentétes irányú volt. Lord Kelvin és Sebastian Ferranti szintén korai generátorokat fejlesztettek ki, 100 és 300 Hz közötti frekvenciákat produkálva .

Az 1870 -es évek végén az első nagyméretű, központi generációs állomásokkal rendelkező elektromos rendszereket vezették be az ívlámpák áramellátására , amelyeket egész utcák, gyárudvarok vagy nagy raktárak belsejének megvilágítására használtak. Néhány, például az 1878 -ban bemutatott Yablochkov ívlámpák jobban működtek a váltakozó áramon, és ezeknek a korai váltakozó áramú generátorrendszereknek a fejlesztését a „generátor” szó első használata kísérte. Ezekben a korai rendszerekben a megfelelő mennyiségű feszültség biztosítása a generátorállomásokról a mérnök "terheléses" képességére volt bízva. 1883 -ban a Ganz Works feltalálta az állandó feszültségű generátort, amely meghatározott kimeneti feszültséget tud előállítani, függetlenül a tényleges terhelés értékétől. A transzformátorok bevezetése az 1880-as évek közepén a váltakozó áram széles körű használatához és az előállításához szükséges generátorok használatához vezetett. 1891 után többfázisú generátorokat vezettek be, amelyek több különböző fázisú áramot szolgáltatnak. A későbbi generátorokat különböző váltakozó áramú frekvenciákra tervezték tizenhat és körülbelül 100 Hz között, ívvilágításhoz, izzólámpához és elektromos motorokhoz. A speciális rádiófrekvenciás generátorokat, mint például az Alexanderson generátort , az első világháború táján hosszúhullámú rádióadóként fejlesztették ki, és néhány nagy teljesítményű vezeték nélküli távíróállomáson használták, mielőtt a vákuumcsöves adókat kicserélték volna.

Működés elve

Egy egyszerű generátor diagramja forgó mágneses maggal (rotor) és álló vezetékkel (állórész), amely szintén mutatja az állórészben a rotor forgó mágneses tere által indukált áramot.

A mágneses mezőhöz képest mozgó vezetőben elektromotoros erő (EMF) alakul ki ( Faraday -törvény ). Ez az EMF megfordítja polaritását, ha ellentétes polaritású mágneses pólusok alatt mozog. Jellemzően egy forgó mágnes, amelyet rotornak neveznek , egy álló vezetőkészleten belül tekercsbe tekerve egy vasmagra, az úgynevezett állórészre vonatkozik . A mező átmegy a vezetőkön, és indukált EMF -t (elektromotoros erőt) generál, mivel a mechanikus bemenet miatt a forgórész elfordul.

A forgó mágneses mező indukál váltakozó feszültség az állórész tekercsek. Mivel az állórésztekercsek áramai a forgórész helyzetétől függően változnak, a generátor szinkron generátor.

A forgórész mágneses mezőjét állandó mágnesek vagy mezőtekercs elektromágnes állíthatja elő. Az autóipari generátorok rotor tekercselést használnak, amely lehetővé teszi a generátor generált feszültségének szabályozását a rotor mező tekercselésének áramának változtatásával. Az állandó mágneses gépek elkerülik a rotorban lévő mágnesező áram miatti veszteséget, de méretük korlátozott a mágnesanyag költségei miatt. Mivel az állandó mágneses mező állandó, a terminál feszültsége közvetlenül változik a generátor sebességével. A kefe nélküli váltóáramú generátorok általában nagyobbak, mint az autóipari alkalmazások.

Az automatikus feszültségszabályozó eszköz szabályozza a terepi áramot, hogy a kimeneti feszültséget állandóan tartsa. Ha a helyhez kötött armatúra tekercsek kimeneti feszültsége csökken a kereslet növekedése miatt, a feszültségszabályozón (VR) keresztül több áram kerül a forgó mező tekercsekbe . Ez növeli a mágneses teret a terepi tekercsek körül, ami nagyobb feszültséget indukál az armatúra tekercsekben. Így a kimeneti feszültség visszaáll az eredeti értékére.

A központi erőművekben használt generátorok a terepi áramot is szabályozzák, hogy szabályozzák a meddőteljesítményt, és segítsenek stabilizálni az energiarendszert a pillanatnyi hibák hatásaival szemben . Gyakran három állórésztekercs-készlet létezik, amelyek fizikailag eltolódnak, így a forgó mágneses mező háromfázisú áramot termel , amelyet egy periódus egyharmadával elmozdítanak egymáshoz képest.

Szinkron sebesség

Egy váltakozó áram ciklus jön létre minden alkalommal, amikor egy pár póluspár áthalad az álló tekercs egy pontján. A sebesség és a frekvencia közötti kapcsolat az , ahol a frekvencia Hz -ben (ciklus / másodperc) van. a pólusok száma (2, 4, 6,…) és a fordulatszám fordulatszámban percenként (r/perc). A váltakozó áramú rendszerek nagyon régi leírásai néha megadják a gyakoriságot a percenkénti váltakozásokban, minden félciklust egy váltakozásnak számítva ; tehát percenként 12 000 váltás felel meg 100 Hz -nek.

A generátor kimeneti frekvenciája a pólusok számától és a forgási sebességtől függ. Az adott frekvenciának megfelelő sebességet az adott frekvencia szinkronsebességének nevezzük . Ez a táblázat néhány példát ad:

Lengyelek Fordulatszám (r/perc), ami…
50 Hz 60 Hz 400 Hz
2 3.000 3600 24.000
4 1500 1800 12.000
6 1000 1200 8.000
8 750 900 6.000
10 600 720 4800
12 500 600 4000
14 428,6 514.3 3429
16 375 450 3.000
18 333.3 400 2 667
20 300 360 2400
40 150 180 1200

Osztályozások

A generátorokat a gerjesztés módja, a fázisok száma, a forgás típusa, a hűtési módszer és az alkalmazás szerint osztályozhatjuk.

Izgalommal

A generátorokban használt mágneses mező előállításának két fő módja van, állandó mágnesek használatával, amelyek saját állandó mágneses mezőt hoznak létre, vagy mezőtekercsek használatával . A generátorokat használó állandó mágnesek kifejezetten hívják mágnesdinamó .

Más generátorokban a tekercselt tekercsek elektromágnest képeznek a forgó mágneses mező előállításához.

Azt az eszközt, amely állandó mágneseket használ a váltakozó áram előállításához, állandó mágneses generátornak (PMA) nevezik. Az állandó mágneses generátor (PMG) váltakozó áramot vagy egyenáramot is előállíthat, ha rendelkezik kommutátorral .

Közvetlenül csatlakoztatott egyenáramú (DC) generátor

Ez a gerjesztési módszer egy kisebb egyenáramú (DC) generátorból áll, amelyet a generátorral azonos tengelyre rögzítenek. Az egyenáramú generátor kis mennyiségű villamos energiát termel, éppen ahhoz, hogy a csatlakoztatott generátor terepi tekercsét gerjessze , hogy áramot termeljen. Ennek a rendszernek egy változata a generátor típusa, amely az akkumulátorból származó egyenáramot használja a kezdeti gerjesztéshez indításkor, majd a generátor öngerjesztővé válik.

Átalakítás és helyreigazítás

Ez a módszer attól függ, hogy a vasmagban visszamaradt mágnesesség gyenge mágneses mezőt hoz létre, ami lehetővé teszi a gyenge feszültség előállítását. Ezt a feszültséget arra használják, hogy gerjeszthessék a generátor táptekercsét, hogy erősebb feszültséget hozzon létre a felépítési folyamat részeként . A kezdeti váltakozó feszültségnövekedés után a mezőt egyenáramú feszültséggel látják el a generátorból.

Kefe nélküli generátorok

A kefe nélküli generátor két generátorból áll, amelyek egy tengelyen egymáshoz vannak építve. 1966 -ig a generátorok forgómezős keféket használtak. A félvezető technológia fejlődésével kefe nélküli generátorok is lehetségesek. A kisebb kefe nélküli generátorok egy egységnek tűnhetnek, de a két rész könnyen azonosítható a nagy változatoknál. A két szakasz közül a nagyobb a fő generátor, a kisebb pedig a gerjesztő. A gerjesztő álló terepi tekercsekkel és forgó armatúrával (teljesítménytekercsekkel) rendelkezik. A fő generátor ellentétes konfigurációt használ forgó mezővel és álló armatúrával. A forgórészre egy híd egyenirányítót , amelyet forgó egyenirányító szerelvénynek neveznek. Sem kefét, sem csúszógyűrűt nem használnak, ami csökkenti a kopó alkatrészek számát. A főgenerátor forgómezője a fent leírtak szerint, és rögzített armatúra (áramtermelő tekercsek).

Az álló gerjesztő mező tekercseken átmenő áram mennyiségének változtatásával a gerjesztő 3 fázisú kimenete változik. Ezt a kimenetet a forgórészre szerelt forgó egyenirányító szerelvény kiegyenlíti, és a kapott egyenáram táplálja a főgenerátor forgó mezőjét, és így a generátor kimenetét. Mindezek eredménye az, hogy egy kis egyenáramú gerjesztőáram közvetve vezérli a főgenerátor kimenetét.

A fázisok száma szerint

A generátorok osztályozásának másik módja a kimeneti feszültségük fázisainak száma. A kimenet lehet egyfázisú vagy többfázisú. A háromfázisú generátor a leggyakoribb, de a többfázisú generátor lehet kétfázisú, hatfázisú vagy több.

Az alkatrész elforgatásával

A generátorok forgó része lehet az armatúra vagy a mágneses mező. A forgó armatúra típus a forgórészen található armatúrával van ellátva, ahol a tekercs egy álló mágneses mezőn keresztül mozog. A forgó armatúra típusát nem gyakran használják. A forgómező típusú mágneses mező a forgórészen forog egy álló armatúra tekercselésen keresztül. Előnye, hogy ekkor a rotor áramkör sokkal kevesebb energiát hordoz, mint az armatúra áramkör, így a csúszógyűrűs csatlakozások kisebbek és kevésbé költségesek; csak két érintkezőre van szükség az egyenáramú forgórészhez, míg a rotor tekercselésének gyakran három fázisa és több szakasza van, amelyek mindegyike csúszógyűrűs csatlakozást igényel. Az álló armatúra feltekercselhető bármilyen kényelmes középfeszültségi szintre, akár tízezer voltra is; a csúszógyűrűs csatlakozások gyártása néhány ezer voltnál nagyobb költséggel és kényelmetlenséggel jár.

Hűtési módszerek

Sok generátort a környezeti levegő hűt, és a házon keresztül a generátort hajtó tengelyre szerelt ventilátor kényszeríti át a házon. Az olyan járművekben, mint a tranzitbuszok, az elektromos rendszer iránti nagy igény miatt nagy generátor olajhűtése szükséges. Tengeri alkalmazásokban vízhűtést is alkalmaznak. A drága autók vízhűtéses generátorokat használhatnak a magas elektromos rendszerigények kielégítésére.

Specifikus alkalmazások

Elektromos generátorok

A legtöbb energiatermelő állomás szinkrongépeket használ generátorként. Ezeknek a generátoroknak a közműhálózathoz való csatlakoztatásához szinkronizálási feltételeknek kell teljesülniük.

Gépjármű -generátorok

Generátor autómotorra szerelt szerpentin szíjtárcsával (az öv nincs jelen).

A generátorokat a modern autókban használják az akkumulátor feltöltésére és az elektromos rendszer áramellátására, amikor a motor jár .

Az 1960 -as évekig az autók DC dinamó generátorokat használtak kommutátorokkal . A megfizethető szilícium dióda egyenirányítók rendelkezésre állása helyett generátorokat használtak.

Dízel elektromos mozdony generátorok

A későbbi dízel elektromos mozdonyokban és dízel elektromos villamos motoros hajtóművekben a hajtómű generátort forgat, amely áramot szolgáltat a vontatómotoroknak (AC vagy DC).

A vontató generátor általában beépített szilícium dióda egyenirányítót tartalmaz, hogy a vontatómotorokat akár 1200 voltos egyenárammal is elláthassa.

Az első dízel elektromos mozdonyok, és sok még mindig üzemben lévő, egyenáramú generátort használnak, mivel a szilícium teljesítményű elektronika előtt könnyebb volt szabályozni az egyenáramú vontatómotorok sebességét. Ezek többségében két generátor volt: az egyik gerjesztőáramot generált egy nagyobb főgenerátor számára.

A generátor opcionálisan fej -végáramot (HEP) vagy villamos vonatfűtést is biztosít . A HEP opció állandó motorfordulatszámot igényel, tipikusan 900 r/perc értéket 480 V 60 Hz -es HEP alkalmazás esetén, még akkor is, ha a mozdony nem mozog.

Tengeri generátorok

A jachtokban használt tengeri generátorok hasonlóak az autóipari generátorokhoz, megfelelő alkalmazkodással a sós-vizes környezethez. A tengeri generátorokat robbanásbiztosnak (gyújtásvédelemmel) tervezték, hogy a kefék szikrázása ne gyújtson robbanásveszélyes gázkeverékeket a motortér környezetében. A telepített rendszer típusától függően 12 vagy 24 voltosak lehetnek. A nagyobb tengeri dízelmotorok két vagy több generátorral rendelkezhetnek, hogy megbirkózzanak egy modern jacht nagy villamosenergia -igényével. Egygenerátoros áramkörök esetén a teljesítmény felosztható a motorindító akkumulátor és a háztartási vagy háztartási akkumulátor (vagy akkumulátorok) között osztott töltésű dióda ( akkumulátor leválasztó ) vagy feszültségérzékeny relé használatával. A nagy házak akkumulátor bankjainak magas költségei miatt a tengeri generátorok általában külső szabályozókat használnak. A többlépcsős szabályozók szabályozzák a terepi áramot, hogy maximalizálják a töltési hatékonyságot (töltési idő) és az akkumulátor élettartamát. A többlépcsős szabályozók különböző típusú akkumulátorokhoz programozhatók. Két hőmérséklet-érzékelő adható hozzá, az egyik az akkumulátor számára a töltési feszültség beállításához, és a túlmelegedés-érzékelő a tényleges generátoron, hogy megvédje a túlmelegedéstől.

Rádiógenerátorok

A változó reluktancia típusú nagyfrekvenciás generátorokat kereskedelmi forgalomban alkalmazták a rádióadásra az alacsony frekvenciájú rádiósávokban. Ezeket Morse -kód továbbítására és kísérletileg hang- és zeneátvitelre használták. Az Alexanderson generátorban mind a terepi tekercs, mind az armatúra tekercselése álló helyzetben van, és az áramot az armatúrában indukálják a forgórész változó mágneses ellenállása (amely nem tartalmaz tekercseket vagy áramvezető részeket). Az ilyen gépeket úgy gyártották, hogy rádiófrekvenciás áramot állítsanak elő a rádióadásokhoz, bár a hatékonyság alacsony volt.

Lásd még

Hivatkozások

Külső linkek