Электрический генератор - Electric generator
В производство электроэнергии, а генератор[1] это устройство, преобразующее движущую силу (механическая энергия ) в электричество для использования во внешнем цепь. Источники механической энергии включают: паровые турбины, газовые турбины, водяные турбины, двигатель внутреннего сгорания, Ветряные турбины и даже рука чудаки. Первый электромагнитный генератор, Диск Фарадея, изобретен в 1831 году британским ученым Майкл Фарадей. Генераторы обеспечивают почти всю мощность для электрические сети.
Обратное преобразование электрической энергии в механическую осуществляется с помощью электрический двигатель, а двигатели и генераторы имеют много общего. Многие двигатели могут иметь механический привод для выработки электроэнергии; часто они делают приемлемые ручные генераторы.
Терминология
Электромагнитный генераторы попадают в одну из двух широких категорий: динамо-машины и генераторы переменного тока.
- Динамо генерировать пульсацию постоянный ток за счет использования коммутатор.
- Генераторы генерировать переменный ток.
Механически генератор состоит из вращающейся части и неподвижной части:
- Ротор: Вращающаяся часть электрическая машина.
- Статора: Стационарная часть электрической машины, которая окружает ротор.
Одна из этих частей генерирует магнитное поле, другая имеет проволочную обмотку, в которой изменяющееся поле индуцирует электрический ток:
- Обмотка возбуждения или полевые (постоянные) магниты: магнитное поле -производящий компонент электрической машины. Магнитное поле динамо-машины или генератора переменного тока может создаваться любой проволочной обмоткой, называемой катушки возбуждения или постоянные магниты. Генераторы с электрическим возбуждением включают система возбуждения для создания потока поля. Генератор, использующий постоянные магниты (PM) иногда называют магнето, или синхронный генератор с постоянными магнитами (PMSM).
- Арматура: Энергетический компонент электрической машины. В генераторе, генераторе переменного тока или динамо-машине обмотки якоря генерируют электрический ток, который обеспечивает питание внешней цепи.
Якорь может находиться либо на роторе, либо на статоре, в зависимости от конструкции, с катушкой возбуждения или магнитом на другой части.
История
До связи между магнетизм и электричество был открыт, электростатические генераторы были изобретены. Они прооперировали электростатический принципы, используя перемещение электрически заряженный ремни, пластины и диски, переносящие заряд на электрод с высоким потенциалом. Заряд генерировался одним из двух механизмов: электростатическая индукция или трибоэлектрический эффект. Такие генераторы генерировали очень высокие Напряжение и низкий текущий. Из-за их неэффективности и сложности изоляционный машины, которые производили очень высокое напряжение, электростатические генераторы имели низкую номинальную мощность и никогда не использовались для выработки коммерчески значимых объемов электроэнергии. Их единственное практическое применение заключалось в раннем включении Рентгеновские трубки, а позже в некоторых атомных ускорители частиц.
Генератор диска Фарадея
Принцип действия электромагнитных генераторов был открыт в 1831–1832 гг. Майкл Фарадей. Принцип, позже названный Закон Фарадея, это электродвижущая сила генерируется в электрическом проводнике, который окружает различные магнитный поток.
Он также построил первый электромагнитный генератор, названный Диск Фарадея; тип униполярный генератор, с помощью медь диск вращающийся между полюсами подковы магнит. Это произвело небольшой Напряжение постоянного тока.
Эта конструкция была неэффективной из-за самоуничтожающихся противотоков текущий в областях диска, которые не находились под влиянием магнитного поля. В то время как ток индуцировался непосредственно под магнитом, он циркулировал в обратном направлении в областях, которые были вне влияния магнитного поля. Этот противоток ограничивал мощность, подаваемую на провода датчика, и вызывал избыточный нагрев медного диска. Более поздние униполярные генераторы решат эту проблему, используя массив магнитов, расположенных по периметру диска, чтобы поддерживать эффект постоянного поля в одном направлении тока.
Еще одним недостатком было то, что на выходе Напряжение был очень низким из-за единственного пути тока через магнитный поток. Экспериментаторы обнаружили, что использование нескольких витков провода в катушке может производить более высокие и полезные напряжения. Поскольку выходное напряжение пропорционально количеству витков, генераторы можно легко спроектировать для получения любого желаемого напряжения путем изменения числа витков. Проволочные обмотки стали основой всех последующих конструкций генераторов.
Джедлик и феномен самовозбуждения
Независимо от Фарадея, Аньос Йедлик начал экспериментировать в 1827 году с электромагнитными вращающимися устройствами, которые он назвал электромагнитные самовращатели. В прототипе однополюсного электростартера (законченного между 1852 и 1854 годами) как неподвижная, так и вращающаяся части были электромагнитными. Это было также открытие принципа динамо-машины. самовозбуждение,[2] которые заменили конструкции с постоянными магнитами. Он также, возможно, сформулировал концепцию динамо в 1861 г. (до Сименс и Уитстон ), но не запатентовал это, так как думал, что он не первый, кто это понял.[3]
Генераторы постоянного тока
Катушка с проволокой, вращающаяся в магнитном поле, производит ток, который меняет направление при каждом повороте на 180 °, переменный ток (AC). Как бы то ни было, потребовалось много первоначального использования электроэнергии постоянный ток (ОКРУГ КОЛУМБИЯ). В первых практических электрогенераторах, названных динамо-машины, переменный ток преобразовывался в постоянный с коммутатор, набор вращающихся переключающих контактов на валу якоря. Коммутатор менял местами подключение обмотки якоря к цепи каждые 180 ° поворота вала, создавая пульсирующий постоянный ток. Одна из первых динамо-машин была построена Ипполит Пиксий в 1832 г.
В динамо был первым электрическим генератором, способным обеспечивать электроэнергию для промышленности. В Электрический генератор Woolrich 1844 г., сейчас в Thinktank, Музей науки Бирмингема, это самый ранний электрический генератор, используемый в промышленном процессе.[4] Его использовала фирма Elkingtons для коммерческих гальваника.[5][6][7]
Современная динамо-машина, пригодная для использования в промышленности, была изобретена независимо Сэр Чарльз Уитстон, Вернер фон Сименс и Сэмюэл Альфред Варлей. Варлей получил патент 24 декабря 1866 года, в то время как Сименс и Уитстон объявили о своих открытиях 17 января 1867 года, последний представил доклад о своем открытии в Королевское общество.
«Динамо-электрическая машина» использовала автономные катушки электромагнитного поля, а не постоянные магниты для создания поля статора.[8] Конструкция Уитстона была похожа на конструкцию Сименса, с той разницей, что в конструкции Сименса электромагниты статора были включены последовательно с ротором, но в конструкции Уитстона они были параллельны.[9] Использование электромагнитов вместо постоянных магнитов значительно увеличило выходную мощность динамо-машины и впервые позволило выработать высокую мощность. Это изобретение привело к первому значительному промышленному использованию электричества. Например, в 1870-х годах Сименс использовал электромагнитные динамо для питания электродуговые печи для производства металлов и других материалов.
Разработанная динамо-машина состояла из стационарной конструкции, обеспечивающей магнитное поле, и набора вращающихся обмоток, которые вращаются в этом поле. На более крупных машинах постоянное магнитное поле создается одним или несколькими электромагнитами, которые обычно называют катушками возбуждения.
Динамо-машины большой мощности сейчас редко можно увидеть из-за почти повсеместного использования переменный ток для распределения энергии. До внедрения переменного тока единственными средствами производства и распределения электроэнергии были очень большие динамо-машины постоянного тока. AC стал доминировать из-за способности AC быть легко преобразованный к и от очень высоких напряжений, чтобы обеспечить низкие потери на больших расстояниях.
Синхронные генераторы (генераторы переменного тока)
Благодаря серии открытий динамо-машина сменила многие более поздние изобретения, особенно AC. генератор, который мог генерировать переменный ток. Обычно это синхронные генераторы (SG). Синхронные машины напрямую подключены к сети и должны быть должным образом синхронизированы во время запуска.[10] Более того, их привлекает особый контроль, повышающий стабильность энергосистемы.[11]
Системы генерации переменного тока были известны в простых формах из Майкл Фарадей оригинальное открытие магнитная индукция электрического тока. Сам Фарадей построил первый генератор переменного тока. Его машина представляла собой «вращающийся прямоугольник», работа которого была гетерополярный - каждый активный проводник последовательно проходил через области, где магнитное поле было в противоположных направлениях.[12]
Большие двухфазные генераторы переменного тока построил британский электрик, J.E.H. Гордон, в 1882 году. Первая публичная демонстрация «системы генератора переменного тока» была дана Уильям Стэнли младший, сотрудник Westinghouse Electric в 1886 г.[13]
Себастьян Зиани де Ферранти установлен Ферранти, Томпсон и Инс в 1882 году, чтобы продать свой Генератор Ферранти-Томпсона, изобретенный с помощью известного физика Лорд Кельвин.[14] Его ранние генераторы выдавали частоты от 100 до 300. Гц. Ферранти продолжил разработку Дептфордская электростанция для London Electric Supply Corporation в 1887 году с использованием системы переменного тока. После завершения строительства в 1891 году это была первая по-настоящему современная электростанция, вырабатывающая высоковольтный переменный ток, который затем был «понижен» для использования потребителями на каждой улице. Эта базовая система по-прежнему используется во всем мире.
После 1891 г. многофазный были введены генераторы переменного тока для питания токов нескольких различных фаз.[15] Более поздние генераторы были разработаны для изменения частот переменного тока от шестнадцати до примерно ста герц, для использования с дуговой подсветкой, лампами накаливания и электродвигателями.[16]
Самовозбуждение
По мере роста требований к более крупномасштабной выработке электроэнергии возникло новое ограничение: магнитные поля, создаваемые постоянными магнитами. Отвод небольшого количества энергии, вырабатываемой генератором, на электромагнитный катушка возбуждения позволил генератору производить значительно больше мощности. Эта концепция получила название самовозбуждение.
Катушки возбуждения включены последовательно или параллельно обмотке якоря. Когда генератор впервые начинает вращаться, небольшое количество остаточный магнетизм присутствующий в железном сердечнике создает магнитное поле для запуска, генерируя небольшой ток в якоре. Он протекает через катушки возбуждения, создавая большее магнитное поле, которое генерирует больший ток якоря. Этот процесс "начальной загрузки" продолжается до тех пор, пока магнитное поле в сердечнике не выровняется из-за насыщение и генератор достигает установившейся выходной мощности.
В генераторах очень больших электростанций часто используется отдельный генератор меньшего размера для возбуждения катушек возбуждения большей. В случае серьезного широко распространенного отключение электричества где островок электростанций произошло, станциям может потребоваться выполнить черный старт возбуждать поля своих крупнейших генераторов, чтобы восстановить энергоснабжение потребителей.
Специализированные типы генераторов
Постоянный ток (DC)
А динамо использует коммутаторы для производства постоянного тока. Это само-возбужденный, т.е. его полевые электромагниты питаются от собственного выхода машины. Другие типы генераторов постоянного тока используют отдельный источник постоянного тока для питания своих полевых магнитов.
Униполярный генератор
Униполярный генератор - это ОКРУГ КОЛУМБИЯ электрический генератор состоящий из электропроводящего диска или цилиндра, вращающегося в плоскости, перпендикулярной однородному статическому магнитному полю. Между центром диска и ободом (или концами цилиндра) создается разность потенциалов, электрическая полярность в зависимости от направления вращения и ориентации поля.
Он также известен как униполярный генератор, ациклический генератор, дисковая динамо, или Диск Фарадея. Напряжение обычно низкое, порядка нескольких вольт в случае небольших демонстрационных моделей, но большие исследовательские генераторы могут вырабатывать сотни вольт, а в некоторых системах есть несколько генераторов, подключенных последовательно, для создания еще большего напряжения.[17] Они необычны тем, что могут производить огромный электрический ток, иногда более миллиона. амперы потому что униполярный генератор может иметь очень низкое внутреннее сопротивление.
Магнитогидродинамический (МГД) генератор
Магнитогидродинамический генератор напрямую извлекает электроэнергию из движущихся горячих газов через магнитное поле без использования вращающихся электромагнитных механизмов. Первоначально МГД-генераторы были разработаны, потому что выходной сигнал плазменного МГД-генератора представляет собой пламя, способное нагревать котлы пар электростанция. Первой практичной конструкцией был AVCO Mk. 25, разработанный в 1965 году. Правительство США профинансировало значительные разработки, кульминацией которых стала демонстрационная установка мощностью 25 МВт в 1987 году. Советский Союз с 1972 года до конца 1980-х годов МГД-установка У 25 регулярно эксплуатировалась в энергосистеме Москвы с мощностью 25 МВт, что на тот момент было крупнейшей МГД-установкой в мире.[18] Генераторы МГД работали как цикл долива в настоящее время (2007 г.) менее эффективны, чем комбинированный цикл газовые турбины.
Переменный ток (AC)
Индукционный генератор
Асинхронные двигатели переменного тока могут использоваться как генераторы, превращающие механическую энергию в электрический ток. Индукционные генераторы работают за счет механического вращения ротора со скоростью, превышающей синхронную, что приводит к отрицательному скольжению. Обычный асинхронный двигатель переменного тока обычно можно использовать в качестве генератора без каких-либо внутренних изменений. Индукционные генераторы полезны в таких приложениях, как мини-гидроэлектростанции, ветряные турбины или для снижения газовых потоков высокого давления до более низкого давления, поскольку они могут восстанавливать энергию с помощью относительно простых средств управления. Для них не требуется цепь возбудителя, поскольку вращающееся магнитное поле создается индукцией от цепи статора. Они также не требуют оборудования для регулятора скорости, поскольку по своей природе работают на частоте подключенной сети.
Для работы индукционный генератор необходимо возбуждать опережающим напряжением; Обычно это делается путем подключения к электрической сети, или иногда они самовозбуждаются с помощью фазокорректирующих конденсаторов.
Линейный электрогенератор
В простейшем виде линейного электрогенератора скользящая магнит движется вперед и назад через соленоид - катушка с медной проволокой. An переменный ток индуцируется в проволочных петлях Закон индукции Фарадея каждый раз, когда магнит скользит. Этот тип генератора используется в Фонарик Фарадея. Более крупные линейные генераторы электроэнергии используются в мощность волны схемы.
Генераторы постоянной частоты с регулируемой частотой вращения
Много Возобновляемая энергия попытки собрать естественные источники механической энергии (ветер, приливы и т. д.) для производства электричества. Поскольку мощность этих источников колеблется, стандартные генераторы, использующие постоянные магниты и фиксированные обмотки, будут выдавать нерегулируемые напряжение и частоту. Накладные расходы на регулирование (перед генератором через редуктор или после генерации электрическими средствами) высоки по сравнению с доступной естественной энергией.
Новые конструкции генераторов, такие как асинхронный или индукционный однополярный генератор, то генератор с двойным питанием, или бесщеточный генератор с фазным ротором и двойным питанием добиваются успеха в приложениях с регулируемой скоростью и постоянной частотой, таких как Ветряные турбины или другой технологии возобновляемых источников энергии. Таким образом, в определенных случаях использования эти системы предлагают преимущества по стоимости, надежности и эффективности.
Общие варианты использования
Электростанция
А электростанция, также называемый электростанция или электростанция и иногда генерирующая станция или генераторная установка, промышленный объект для поколение из электроэнергия. Большинство электростанций содержат один или несколько генераторов, вращающуюся машину, которая преобразует механическая сила в трехфазная электроэнергия. В относительное движение между магнитное поле и дирижер создает электрический ток. Источник энергии, используемый для поворота генератора, сильно различается. Горят большинство электростанций в мире ископаемое топливо такие как уголь, масло, и натуральный газ для выработки электроэнергии. Более чистые источники включают атомная энергия, и все более широкое использование возобновляемые источники энергии такие как солнечный, ветер, волна и гидроэлектростанция.
Автомобильные генераторы
Дорожная техника
Автотранспортным средствам требуется электрическая энергия для питания своих приборов, поддержания работы двигателя и подзарядки батарей. Примерно до 1960-х годов автомобили, как правило, использовали Генераторы постоянного тока (динамо) с электромеханическими регуляторами. Следуя описанной выше исторической тенденции и по многим из тех же причин, теперь они были заменены на генераторы со встроенным выпрямитель схемы.
Велосипеды
Велосипедам требуется энергия для питания ходовых огней и другого оборудования. На велосипедах используются два распространенных типа генераторов: бутылочные динамо-машины которые при необходимости задействуют шину велосипеда, и динамо-втулка которые прикреплены непосредственно к трансмиссии велосипеда. Название условно, поскольку это небольшие генераторы с постоянными магнитами, а не машины постоянного тока с самовозбуждением, как динамо-машины. Немного электрические велосипеды способны рекуперативное торможение, где приводной двигатель используется в качестве генератора для рекуперации некоторой энергии во время торможения.
Парусные лодки
Парусные лодки могут использовать водяной или ветряной генератор для подзарядки аккумуляторов. Маленький пропеллер, ветряная турбина или крыльчатка подключается к маломощному генератору для подачи токов при обычной скорости ветра или крейсерской скорости.
Электрические скутеры
Электрические скутеры с рекуперативным торможением стали популярными во всем мире. Инженеры используют кинетическая энергия системы рекуперации энергии на скутере для снижения энергопотребления и увеличения запаса хода до 40-60% за счет простой рекуперации энергии с помощью магнитного тормоза, который генерирует электрическая энергия для дальнейшего использования. Современные автомобили развивают скорость до 25–30 км / ч и могут разгоняться до 35–40 км.
Генераторная установка
An двигатель-генератор представляет собой комбинацию электрического генератора и двигатель (первичный двигатель ), смонтированные вместе, чтобы сформировать единое автономное оборудование. Обычно используются поршневые двигатели, но также можно использовать газовые турбины. И есть даже гибридные дизель-газовые агрегаты, называемые двухтопливными. Доступно множество различных версий двигателей-генераторов - от очень маленьких портативных. бензин силовые агрегаты для крупных турбинных установок. Основным преимуществом двигателей-генераторов является возможность независимого электроснабжения, что позволяет использовать их в качестве резервного источника питания.[19]
Электрические генераторы с приводом от человека
Генератор также может приводиться в движение силой мускулов человека (например, в оборудовании полевых радиостанций).
Электрогенераторы, приводимые в движение человеком, коммерчески доступны и были проектом некоторых Сделай сам энтузиасты. Обычно такие генераторы работают от педали, переделанного велотренажера или ножного насоса, и их можно практически использовать для зарядки аккумуляторов, а в некоторых случаях они разработаны со встроенным инвертором. Средний «здоровый человек» может стабильно производить 75 Вт (0,1 лошадиных сил) в течение полных восьми часов, в то время как «спортсмен первого класса» может производить примерно 298 Вт (0,4 лошадиных силы) за аналогичный период. По окончании которого потребуется неопределенный период отдыха и восстановления. При мощности 298 Вт средний «здоровый человек» истощается в течение 10 минут.[21] Полезная электрическая мощность, которая может быть произведена, будет меньше из-за эффективности генератора. Переносные радиоприемники с рукояткой сделаны для снижения требований к покупке батарей, см. заводное радио. В середине 20 века радиоприемники с педальным приводом использовались повсюду. Австралийская глубинка, чтобы обеспечить обучение (Школа Воздуха ), медицинские и другие нужды на удаленных станциях и в городах.
Механическое измерение
Тахогенератор - это электромеханическое устройство, вырабатывающее выходное напряжение, пропорциональное скорости вращения вала. Его можно использовать для индикатора скорости или в системе управления скоростью с обратной связью. Тахогенераторы часто используются для питания тахометры для измерения скорости электродвигателей, двигателей и оборудования, которое они питают. Генераторы вырабатывают напряжение, примерно пропорциональное скорости вала. Благодаря точной конструкции и конструкции генераторы могут быть сконструированы так, чтобы производить очень точные напряжения для определенных диапазонов скоростей вала.[нужна цитата ]
Эквивалентная схема
An эквивалентная схема генератора и нагрузки показано на диаграмме рядом. Генератор представлен абстрактный генератор состоящий из идеального источник напряжения и внутренний импеданс. Генератор и параметры можно определить путем измерения сопротивления обмотки (с поправкой на Рабочая Температура ), а также измерение напряжения холостого хода и нагрузки при заданной токовой нагрузке.
Это простейшая модель генератора, для точного представления могут потребоваться дополнительные элементы. В частности, можно добавить индуктивность, чтобы учесть обмотки машины и магнитный поток рассеяния,[22] но полное представление может стать намного более сложным, чем это.[23]
Смотрите также
использованная литература
- ^ Также называется электрический генератор, электрический генератор, и электромагнитный генератор.
- ^ Август Геллер (2 апреля 1896 г.). "Анианус Едлик". Природа. Норман Локьер. 53 (1379): 516. Bibcode:1896Натура..53..516Х. Дои:10.1038 / 053516a0.
- ^ Август Хеллер (2 апреля 1896 г.), "Анианус Едлик", Природа, Норман Локьер, 53 (1379): 516, Bibcode:1896Натура..53..516Х, Дои:10.1038 / 053516a0
- ^ Каталог музеев Бирмингема, инвентарный номер: 1889S00044
- ^ Томас, Джон Мейриг (1991). Майкл Фарадей и королевский институт: гений человека и места. Бристоль: Хильгер. п. 51. ISBN 978-0750301459.
- ^ Beauchamp, KG (1997). Выставка электроэнергии. ИЭПП. п. 90. ISBN 9780852968956.
- ^ Хант, Л. Б. (март 1973 г.). «Ранняя история позолоты». Золотой бюллетень. 6 (1): 16–27. Дои:10.1007 / BF03215178.
- ^ Берлинер Берихте. Январь 1867 г. Отсутствует или пусто
| название =
(Помогите) - ^ Труды Королевского общества. 14 февраля 1867 г. Отсутствует или пусто
| название =
(Помогите) - ^ Шефер, Ричард К. (январь – февраль 2017 г.). «Искусство генераторной синхронизации». IEEE Transactions по отраслевым приложениям. 53 (1): 751–757. Дои:10.1109 / tia.2016.2602215. ISSN 0093-9994. S2CID 15682853.
- ^ Basler, Майкл Дж .; Шефер, Ричард К. (2008). «Понимание стабильности энергосистемы». IEEE Transactions по отраслевым приложениям. 44 (2): 463–474. Дои:10.1109 / tia.2008.916726. ISSN 0093-9994. S2CID 62801526.
- ^ Томпсон, Сильванус П., Динамо-электрические машины. стр.7
- ^ Блэлок, Томас Дж. "Электрификация переменного тока, 1886 г. ". Центр истории IEEE, IEEE Milestone. (ред. первая практическая демонстрация системы генератор постоянного тока - трансформатор переменного тока.)
- ^ Хронология Ферранти В архиве 3 октября 2015 г. Wayback Machine – Музей науки и промышленности (Дата обращения 22.02.2012)
- ^ Томпсон, Сильванус П., Динамо-электрические машины. стр.17
- ^ Томпсон, Сильванус П., Динамо-электрические машины. стр.16
- ^ Losty, H.H.W и Lewis, D.L. (1973) Униполярные машины. Философские труды для Лондонского королевского общества. Серия А, Математические и физические науки. 275 (1248), 69-75
- ^ Лэнгдон Крейн, Магнитогидродинамический (МГД) электрогенератор: больше энергии за счет меньшего количества топлива, номер выпуска IB74057, Исследовательская служба Библиотеки Конгресса, 1981 г., извлечено из Digital.library.unt.edu 18 июля 2008 г.
- ^ «Готовность к ураганам: защита обеспечивается генераторами | Включение с Марком Лумом». Wpowerproducts.com. 10 мая 2011. Получено 2012-08-24.
- ^ После того, как генераторы исчезли, протестующие с Уолл-стрит пробуют использовать велосипеды, Колин Мойнихан, Газета "Нью-Йорк Таймс, 30 октября 2011 г .; доступ 2 ноября 2011 г.
- ^ «Программа: hpv (обновлено 22.06.11)». Ohio.edu. Получено 2012-08-24.
- ^ Джефф Клемпнер, Исидор Керсенбаум, «1.7.4 Эквивалентная схема», Справочник по эксплуатации и обслуживанию больших турбогенераторов, John Wiley & Sons, 2011 (издание Kindle) ISBN 1118210409.
- ^ Ёсихидэ Хасэ, "10: Теория генераторов", Справочник по проектированию энергосистем, Джон Уайли и сыновья, 2007 ISBN 0470033665.
Эта статья использование внешние ссылки может не следовать политикам или рекомендациям Википедии.Январь 2020) (Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения) ( |