Generator

Den aktuelle version af siden er endnu ikke blevet gennemgået af erfarne bidragydere og kan afvige væsentligt fra den version , der blev gennemgået den 2. maj 2021; checks kræver 7 redigeringer .

En vekselstrømsgenerator ("generator") er en elektrisk maskine , der omdanner mekanisk energi til elektrisk vekselstrøm . De fleste generatorer bruger et roterende magnetfelt .

Princippet for driften af generatoren er at omdanne mekanisk energi til elektrisk energi ved at rotere en trådspole i et magnetfelt. En elektrisk strøm genereres også, når kraftlinjerne i en bevægelig magnet skærer vindingerne på en trådspole. Elektronerne bevæger sig mod magnetens positive pol, og den elektriske strøm løber fra den positive pol til den negative pol. Så længe de magnetiske feltlinjer krydser spolen (lederen), induceres en elektrisk strøm i lederen. Et lignende princip fungerer også, når trådrammen bevæger sig i forhold til magneten, det vil sige når rammen krydser magnetfeltlinjerne. Den inducerede elektriske strøm løber på en sådan måde, at dens felt frastøder magneten, når rammen nærmer sig den og tiltrækker, når rammen bevæger sig væk. Hver gang rammen ændrer orientering i forhold til magnetens poler, vender den elektriske strøm også sin retning. Så længe kilden til mekanisk energi roterer lederen (eller magnetfeltet), vil generatoren producere en elektrisk vekselstrøm.

Historie

Elektriske maskiner, der genererer vekselstrøm, har været kendt i en simpel form siden opdagelsen af den magnetiske induktion af elektrisk strøm . Tidlige maskiner blev designet af Michael Faraday og Hippolyte Pixie .

Faraday udviklede et "roterende rektangel", der var multi -polært - hver aktiv leder blev ført i serie gennem et område, hvor magnetfeltet var i modsatte retninger. Den første offentlige demonstration af det mest kraftfulde "generatorsystem" fandt sted i 1886 . En stor tofaset generator blev bygget af den britiske elektriker James Henry Gordon i . Lord Kelvin og Sebastian Ferranti ( eng. Sebastian Pietro Innocenzo Adhemar Ziani de Ferranti ) udviklede også en tidlig generator, der producerede vekselstrøm ved en frekvens mellem 100 og 300 hertz . I 1891 patenterede Nikola Tesla en praktisk "højfrekvent" generator (som fungerede ved en frekvens på omkring 15.000 hertz). Efter 1891 blev flerfasede vekselstrømsgeneratorer opfundet. En trefaset strømgenerator med en tretrådsbelastning blev udviklet og demonstreret af den russiske ingeniør Dolivo-Dobrovolsky , der arbejdede som chefingeniør for Berlin-virksomheden AEG . I 1893 blev opfindelsen, han demonstrerede, brugt af A.N. Shchensnovich i konstruktionen af det første industrielle trefasede kraftværk som en del af Novorossiysk-kornelevatoren. [en]

Generatorteori

Princippet for drift af generatoren er baseret på loven om elektromagnetisk induktion - induktionen af en elektromotorisk kraft i et rektangulært kredsløb (trådramme) placeret i et ensartet roterende magnetfelt . Eller omvendt roterer et rektangulært kredsløb i et ensartet fast magnetfelt.

Lad os antage, at et ensartet magnetfelt skabt af en permanent magnet roterer omkring sin akse i en ledende sløjfe (trådramme) med en ensartet vinkelhastighed . To lige store lodrette sider af konturen (se figur) er aktive , da de krydses af magnetfeltets magnetiske linjer. To vandrette sider af konturen ens hver for sig er ikke aktive, da magnetfeltets magnetiske linjer ikke krydser dem, de magnetiske linjer glider langs de vandrette sider, den elektromotoriske kraft dannes ikke i dem. $\omega$

I hver af de aktive sider af kredsløbet induceres en elektromotorisk kraft, hvis værdi bestemmes af formlen:

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

hvor

$e_{1}$ og - øjeblikkelige værdier af de elektromotoriske kræfter induceret i de aktive sider af kredsløbet, i volt ; $e_{2}$

$B$ - magnetisk induktion af magnetfeltet i volt - sekunder pr . kvadratmeter ( T , Tesla );

$l$ - længden af hver af de aktive sider af konturen i meter ;

$v$ - lineær hastighed , hvormed de aktive sider af konturen roterer, i meter per sekund;

$t$ — tid i sekunder ;

$\omega t$ og er vinklerne , hvorved de magnetiske linjer skærer konturens aktive sider. $\omega t+$ $\pi$

Da de elektromotoriske kræfter induceret i de aktive sider af kredsløbet virker i overensstemmelse med hinanden, vil den resulterende elektromotoriske kraft induceret i kredsløbet,

vil være ens , det vil sige, at den inducerede elektromotoriske kraft i kredsløbet ændres i henhold til en sinusformet lov. $e=2Blv\sin \omega t$

Hvis et ensartet magnetfelt roterer i kredsløbet med en ensartet vinkelhastighed, induceres en sinusformet elektromotorisk kraft i det .

Du kan transformere formlen ved at udtrykke den i form af den maksimale magnetiske flux , der trænger ind i kredsløbet. $e=2Blv\sin \omega t$ ${\displaystyle \Phi _{m))$

Den relative lineære hastighed af de aktive sider er lig med produktet af rotationsradius og vinkelhastigheden , dvs. $v$ ${\frac {\alpha }{2}}$ $\omega$ $v={\frac {\alpha }{2}}\omega$

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

hvor

${\displaystyle \omega \Phi _{m))$ er amplituden af den sinusformede elektromotoriske kraft;

$\omega t$ er fasen af den sinusformede elektromotoriske kraft;

$\omega$ er vinkelhastigheden af den sinusformede elektromotoriske kraft, i dette tilfælde lig med magnetens vinkelhastighed i kredsløbet.

I betragtning af at kredsløbet består af mange vindinger af ledning, er den elektromotoriske kraft proportional med antallet af vindinger, og formlen vil se sådan ud : $w$ $e=w2Bl{\frac {\alpha }{2}}\omega \sin \omega t$

Hvis vi indtaster den maksimale magnetiske flux i formlen, så . $e=w\Phi _{m}\sin \omega t$

Generatorenhed

Ved design kan vi skelne:

generatorer med faste magnetiske poler og roterende anker ;
generatorer med roterende magnetiske poler og fast stator.

Sidstnævnte er blevet mere udbredt, da der på grund af statorviklingens ubevægelighed ikke er behov for at fjerne en stor højspændingsstrøm fra rotoren ved hjælp af glidende kontakter (børster) og slæberinge .

Den bevægelige del af generatoren kaldes rotoren , og den faste del kaldes statoren .

Statoren er samlet af separate jernplader isoleret fra hinanden . På den indre overflade af statoren er der riller, hvor ledningerne til generatorens statorvikling er indsat.

Rotoren er normalt lavet af massivt jern, polstykkerne af rotorens magnetiske poler er samlet af pladejern. Under rotation er der et minimum mellemrum mellem statoren og rotorens polstykker for at skabe den højest mulige magnetiske induktion. Den geometriske form af polstykkerne er valgt således, at den strøm, der genereres af generatoren, er så tæt på sinusformet som muligt.

Excitationsspoler tilført af jævnstrøm er placeret på polernes kerner. Jævnstrøm tilføres ved hjælp af børster til slæberinge placeret på generatorakslen .

I henhold til excitationsmetoden er generatorer opdelt i:

generatorer, hvis excitationsviklinger drives af jævnstrøm fra en ekstern kilde til elektrisk energi, såsom et batteri ( generatorer med uafhængig excitation ).
generatorer, hvis magnetiseringsviklinger drives af en ekstern laveffekt DC-generator ( exciter ), der sidder på samme aksel som den generator, den betjener.
generatorer, hvis excitationsviklinger fødes af den ensrettede strøm fra selve generatorerne ( selv-exciterede generatorer ). Se også børsteløs synkrongenerator .
generatorer med excitation fra permanente magneter .

Strukturelt kan vi skelne:

generatorer med udtalte poler;
generatorer med implicitte poler.

Ved antallet af faser kan vi skelne:

enkeltfasede generatorer. Se også kondensatormotor , enfaset motor .
To-fasede generatorer. Se også tofaset elektrisk netværk , tofaset motor .
Trefasede generatorer. Se også trefaset strømforsyningssystem , trefaset motor .

Ved at forbinde faseviklingerne af en trefaset generator:

seks-leder Tesla-system (har ingen praktisk værdi);
stjerneforbindelse";
deltaforbindelse";
forbindelse af seks viklinger i form af en "stjerne" og en "trekant" på en stator.

Den mest almindelige er "stjerne"-forbindelsen med en neutral ledning (fire-leder kredsløb), som gør det nemt at kompensere for faseubalancer og eliminerer forekomsten af en konstant komponent og parasitiske ringstrømme i generatorviklingerne, hvilket fører til energitab og overophedning.

Da i praksis, i strømnetværk med mange små forbrugere, er belastningen på forskellige faser ikke symmetrisk (forskellig elektrisk effekt er forbundet , eller for eksempel en aktiv belastning på den ene fase, og induktiv eller kapacitiv på den anden , så når den er forbundet med en "trekant" eller "stjerne" uden neutral ledning , kan du få et så ubehageligt fænomen som " faseubalance ", for eksempel glødelamper forbundet til en af faserne lyser svagt, mens en alt for høj elektrisk spænding påføres de andre faser og de tændte enheder "brænder ud".

Frekvensen af vekselstrømmen produceret af generatoren

Disse generatorer er synkrone , det vil sige vinkelhastigheden (antal omdrejninger) af det roterende magnetfelt afhænger lineært af vinkelhastigheden (antal omdrejninger) af generatorrotoren og asynkrone , hvor der er slip, det vil sige forsinkelsen af statorens magnetfelt fra rotorens vinkelhastighed. På grund af nogen besværlig regulering har asynkrone generatorer kun modtaget ringe distribution.

Hvis generatorrotoren er bipolær, vil den inducerede elektromotoriske kraft for en komplet omdrejning fuldføre en fuld cyklus af dens ændringer.

Derfor vil frekvensen af den elektromotoriske kraft af den synkrone generator være : $f = \frac{n}{60}$

hvor

$f$ - frekvens i hertz ;

$n$ - antallet af omdrejninger af rotoren pr . minut .

Hvis generatoren har et antal polpar , vil frekvensen af en sådan generators elektromotoriske kraft følgelig være $s$

gange frekvensen af den elektromotoriske kraft af en bipolær generator : . $s$ $f=p{\frac {n}{60}}$

Frekvensen af vekselstrøm i elektriske netværk skal overholdes strengt , i Rusland og andre lande er det 50 perioder i sekundet ( hertz ). I en række lande, for eksempel i USA , Canada , Japan , leveres vekselstrøm med en frekvens på 60 hertz til det elektriske netværk. Vekselstrøm med en frekvens på 400 hertz bruges i det indbyggede netværk af fly.

Tabellen viser afhængigheden af frekvensen af den genererede vekselstrøm af antallet af magnetiske poler og antallet af omdrejninger af generatoren

Denne faktor skal tages i betragtning ved design af generatorer.

Antal stænger	Antallet af omdrejninger af rotoren for en frekvens på 50 hertz pr. 1 minut	Antallet af omdrejninger af rotoren for en frekvens på 60 hertz pr. 1 minut	Antallet af omdrejninger af rotoren for en frekvens på 400 hertz pr. 1 minut
2	3000	3 600	24.000
fire	1500	1800	12.000
6	1000	1200	8000
otte	750	900	6000
ti	600	720	4 800
12	500	600	4000
fjorten	428,6	514,3	3429
16	375	450	3000
atten	333,3	400	2667
tyve	300	360	2400
40	150	180	1200

For eksempel fungerer en dampturbine optimalt ved 3000 omdr./min., antallet af generatorpoler er to.

For eksempel, for en dieselmotor, der bruges i dieselkraftværker , er den optimale driftstilstand 750 rpm, så skal generatoren have 8 poler.

For eksempel roterer massive og lavhastigheds hydrauliske turbiner i store vandkraftværker med en hastighed på 150 omdrejninger i minuttet, så skal generatoren have 40 poler.

Disse eksempler er givet for en vekselstrømsfrekvens på 50 hertz.

Synkrongeneratorparametre

De vigtigste størrelser, der karakteriserer en synkrongenerator er:

elektrisk spænding ved terminalerne , volt ; $U$
strømstyrke , ampere ; $jeg$
tilsyneladende effekt [volt-ampere]
aktiv effekt , watt ; $P_{i}$
antal rotoromdrejninger pr. minut ; $n$
effektfaktor ( cosinus " phi " ) . $\cos \phi$
viklings excitationstype

Generatorens tomgangskarakteristik

Den elektromotoriske kraft af en generator er proportional med størrelsen af den magnetiske flux og antallet af omdrejninger af generatorrotoren pr. minut: $\Phi$ $n$

$E=cn\Phi$ , hvor er proportionalitetskoefficienten (bestemt af generatorens design). $c$

Selvom størrelsen af EMF af en synkron generator afhænger af antallet af omdrejninger af rotoren, er det umuligt at regulere det ved at ændre rotorens rotationshastighed, da frekvensen af vekselstrømmen genereret af generatoren er relateret til antallet af omdrejninger af generatorrotoren. Når generatoren fungerer i elektriske netværk , skal frekvensen overholdes strengt (i Rusland 50 hertz ). $n$

Derfor er den eneste måde at ændre EMF-værdien for en synkrongenerator på at ændre den magnetiske flux . $\Phi$

Den magnetiske flux er proportional med styrken af strømmen i kredsløbet ( A , ampere ) og induktans ( H , henry ): $\Phi$ $jeg$ $L$

$\Phi =LI$ .

Herfra vil formlen for EMF for en synkrongenerator se sådan ud :. $E=cnLI$

EMF-regulering ved at ændre den magnetiske flux udføres ved sekventiel tilslutning af reostater eller elektroniske spændingsregulatorer til excitationsviklingskredsløbet . Der er glideringe på generatorrotoren , excitationsstrømmen tilføres gennem børstesamlingen ( glidekontakter ). I tilfælde af, at en lille magnetiseringsgenerator er placeret på en fælles aksel med en generator, så udføres reguleringen indirekte, ved at regulere magnetiseringsstrømmen af magnetiseringsgeneratoren.

I det tilfælde, hvor vekselstrømsgeneratorer bruges med excitation fra permanente magneter (for eksempel i småskala energiteknik), reguleres udgangsspændingen ved hjælp af eksterne enheder: spændingsregulatorer og stabilisatorer . Se også AC-spændingsstabilisatorer , skiftespændingsregulator .

Hvis det er ligegyldigt, hvilken frekvensstrøm der opnås ved generatorterminalerne (for eksempel ensrettes vekselstrøm så, som på diesellokomotiver med AC-DC transmission, såsom ТЭ109 , ТЭ114 , ТЭ129 , ТЭМ7 , osv.) - EMF reguleres ved både at ændre excitationsstrømmen og ændre antallet af omdrejninger af traktionsgeneratoren .

Parallel drift af synkrone generatorer

På kraftværker er synkrongeneratorer forbundet med hinanden parallelt for at arbejde sammen på et fælles elektrisk netværk . Når belastningen på det elektriske netværk er lav, virker kun en del af generatorerne, med øget strømforbrug (" myldretid "), er backup-generatorer tændt. Denne metode er fordelagtig, da hver generator kører med fuld kapacitet , derfor med den højeste effektivitet .

Synkronisering af generatoren med det elektriske netværk

I det øjeblik, backupgeneratoren tilsluttes til de elektriske busser , skal dens elektromotoriske kraft være numerisk lig med spændingen på disse dæk, have samme frekvens med den , og faseforskydningen er lig nul. Processen med at bringe backupgeneratoren til en tilstand, der giver den angivne tilstand, kaldes generatorsynkronisering .

Hvis denne betingelse ikke er opfyldt (den tilsluttede generator sættes ikke i synkron tilstand), så kan en stor strøm strømme fra netværket til generatoren, generatoren vil begynde at fungere i den elektriske motortilstand, hvilket kan føre til en ulykke.

For at synkronisere den tilsluttede generator med det elektriske netværk bruges specielle enheder i sin enkleste form - et synkronskop .

Synkroskopet er en glødelampe og et "nul" voltmeter , forbundet parallelt med kontakterne på kontakten , som afbryder generatoren fra netværksbusserne (henholdsvis hvor mange faser, hvor mange glødelamper og voltmetre).

Når kontakten er åben, viser den parallelle samling "glødelampe -" nul "voltmeter" sig at være forbundet i serie med kredsløbet "generatorfase - netfase".

Efter start af generatoren (med kontakten åben) bringes den til nominel hastighed, og ved at justere excitationsstrømmen er spændingen ved generatorterminalerne og på netværksbusserne omtrent den samme.

Når generatoren nærmer sig synkronisering, begynder glødelamperne at blinke, og i øjeblikket med næsten fuldstændig synkronisering går de ud. Imidlertid slukker lamperne ved en spænding, der ikke er lig med nul; voltmetre ("nul" voltmetre) tjener til at indikere fuldstændigt nul . Så snart "nul" voltmetrene viser 0 volt - generatoren og det elektriske netværk er synkroniseret, kan du lukke kontakten. Hvis to glødelamper (på to faser) slukker, men den tredje ikke gør det, betyder det, at en af generatorens faser er forbundet forkert med den elektriske netværksbus.

Køretøjsgeneratorer

Trefasede generatorer med en indbygget halvleder trefaset broensretter bruges på moderne biler til at oplade et bilbatteri samt til at forsyne elektriske forbrugere , såsom et tændingssystem , bilbelysning , en indbygget computer , en diagnosesystem og andre. Konstansen af spændingen i det indbyggede netværk opretholdes af en specialiseret spændingsregulator .

Brugen af generatorer til biler giver dig mulighed for at reducere de overordnede dimensioner, vægten af generatoren, øge dens pålidelighed, samtidig med at den opretholder eller endda øger dens effekt sammenlignet med DC-generatorer [2] .

For eksempel vejer G-12 DC-generatoren ( GAZ-69 bil ) 11 kg, mærkestrøm 20 ampere , og G-250P2 generatoren ( UAZ-469 bil ) med en masse på 5,2 kg producerer en mærkestrøm på 28 ampere.

Generatorer bruges i hybridkøretøjer , hvilket gør det muligt at kombinere kraften fra en forbrændingsmotor og en elektrisk motor . Dette undgår driften af forbrændingsmotoren i lav belastningstilstand, samt at implementere genvinding af kinetisk energi , hvilket øger brændstofeffektiviteten af kraftværket.

På diesellokomotiver , såsom TE109 , TE114 , TE129 , TEM7 , TEM9 , TERA1 , TEP150 , 2TE25K , anvendes AC-DC elektrisk transmission, synkrone trefasede trækgeneratorer er installeret . DC-traktionsmotorer, elektriciteten genereret af generatoren ensrettes af en halvlederensretter. Udskiftning af DC-generatoren med en vekselstrømsgenerator gjorde det muligt at reducere massen af elektrisk udstyr, reserven kan bruges til at installere en mere kraftfuld dieselmotor . Trækgeneratoren kan dog ikke bruges som starter til en forbrændingsmotor, starten foretages af en jævnstrømsgenerator til styrekredsløb.

På et eksperimentelt diesellokomotiv 2TE137 anvendes nye russiske lokomotiver 2TE25A , TEM21 , AC-AC elektrisk transmission med asynkrone trækmotorer.

Induktionsmotorer som generatorer

Som en reversibel elektrisk maskine kan en asynkron AC-motor overføres til generatortilstand .

I generatortilstand skifter slip (forskellen mellem rotorens vinkelhastighed og det roterende magnetfelts vinkelhastighed) fortegn,
dvs. induktionsmotoren fungerer som en asynkron generator .

Denne inklusion bruges hovedsageligt til transport til reostatisk eller regenerativ bremsning (hvor asynkrone bruges som trækmotorer ).

Køling af generatorer

Under drift opstår der energitab i generatoren, som omdannes til varme- og varmeelementer. Selvom effektiviteten af moderne generatorer er meget høj, er de absolutte tab ret store, hvilket fører til en betydelig stigning i temperaturen af det aktive stål, kobber og isolering . En stigning i temperaturen af strukturelle elementer fører igen til deres gradvise ødelæggelse og et fald i generatorens levetid [3] [4] . For at forhindre dette anvendes forskellige kølesystemer.

Der er følgende typer kølesystemer: overflade (indirekte) og direkte køling [3] . Indirekte køling kan til gengæld være luft og brint.

Brintkølesystemer installeres oftere på store generatorer, da de giver bedre varmeafledning [5] (Sammenlignet med luft har brint en højere termisk ledningsevne og 10 gange lavere densitet [6] ). Brint er brandfarligt og eksplosivt, så ventilationssystemisolering og højtryksvedligeholdelse anvendes.

Se også

Noter

↑ Rybnikova, I. A. Historiske aspekter af konstruktionen af faciliteter til omladning af korn i Novorossiysk-havnen ved begyndelsen af det 19.-20. århundrede / I. A. Rybnikova, A. M. Rybnikov // VESTNIK ISTU. - 2014. - Nr. 7 (90). — ISSN 1814-3520 .
Kraftværket var beregnet til at levere strøm til elevatormekanismernes elektriske motorer, .... Konstruktionen blev overvåget af A. N. Shchensnovich, der brugte opfindelsen af I. O. Dolivo-Dobrovolsky. Tegningerne til stationen er lavet af det schweiziske firma Brown Boveri, og alt det vigtigste elektriske udstyr blev lavet på stedet i elevatorens mekaniske værksteder, herunder oprulning og montering af elmotorerne.
↑ Generatoren, der bruges i strømforsyningen til en personbil, har de samme fordele.
↑ 1 2 Kraftværker og transformerstationer. Emne 2. Synkrone generatorer og kompensatorer . Hentet 29. april 2013. Arkiveret fra originalen 5. marts 2016. (ubestemt)
↑ Gaskølere til elektriske maskiner . Hentet 29. april 2013. Arkiveret fra originalen 17. maj 2013. (ubestemt)
↑ Generator brintkølesystem (utilgængeligt link)
↑ Princippet om drift og design af synkronmaskiner . Hentet 29. april 2013. Arkiveret fra originalen 13. september 2014. (ubestemt)

Litteratur

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

Links

Generatorer Arkiveret 29. april 2004 på Wayback Machine . Integrated Publishing (TPub.com).
Trægenerator med lavt omdrejningstal . Force Field, Fort Collins, Colorado, USA.
Forståelse af 3-fasede generatorer . WindStuffNow.
Generator, Arc og Spark. De første trådløse sendere . G0UTY-hjemmesiden.
White, Thomas H., Generator-senderudvikling (1891-1920) . EarlyRadioHistory.us.

Ordbøger og encyklopædier	Britannica (online) Treccani
I bibliografiske kataloger	BNF : 123986174 J9U : 987007536063205171 LCCN : sh85041708

Generator

Historie

Generatorteori

Generatorenhed

Frekvensen af ​​vekselstrømmen produceret af generatoren

Synkrongeneratorparametre

Generatorens tomgangskarakteristik

Parallel drift af synkrone generatorer

Synkronisering af generatoren med det elektriske netværk

Køretøjsgeneratorer

Induktionsmotorer som generatorer

Køling af generatorer

Se også

Noter

Litteratur

Links

Frekvensen af vekselstrømmen produceret af generatoren