Generátor

Az oldal jelenlegi verzióját még nem ellenőrizték tapasztalt közreműködők, és jelentősen eltérhet a 2021. május 2-án felülvizsgált verziótól ; az ellenőrzések 7 szerkesztést igényelnek .

A váltakozó áramú generátor ("generátor")  egy elektromos gép , amely a mechanikai energiát váltakozó áramú elektromos energiává alakítja . A legtöbb generátor forgó mágneses teret használ .

A generátor működési elve, hogy a mechanikai energiát elektromos energiává alakítja át egy huzaltekercs mágneses térben történő forgatásával. Elektromos áram akkor is keletkezik, ha egy mozgó mágnes erővonalai metszik egy huzaltekercs menetét. Az elektronok a mágnes pozitív pólusa felé mozognak, és az elektromos áram a pozitív pólusról a negatív pólusra folyik. Amíg a mágneses erővonalak keresztezik a tekercset (vezetőt), addig a vezetőben elektromos áram indukálódik. Hasonló elv működik akkor is, amikor a huzalkeret a mágneshez képest elmozdul, vagyis amikor a keret keresztezi a mágneses erővonalakat. Az indukált elektromos áram úgy folyik, hogy mezeje taszítja a mágnest, amikor a keret közeledik hozzá, és vonzza, amikor a keret elmozdul. Minden alkalommal, amikor a keret tájolását megváltoztatja a mágnes pólusaihoz képest, az elektromos áram is megfordítja az irányát. Amíg a mechanikai energiaforrás forgatja a vezetőt (vagy mágneses mezőt), a generátor váltakozó elektromos áramot termel.

Történelem

A váltakozó áramot előállító elektromos gépek egyszerű formában az elektromos áram mágneses indukciójának felfedezése óta ismertek . A korai gépeket Michael Faraday és Hippolyte Pixie tervezte .

Faraday kifejlesztett egy "forgó téglalapot", amely többpólusú volt  - minden aktív vezetőt sorba vezettek egy olyan területen, ahol a mágneses tér ellentétes irányú. A legerősebb "generátorrendszer" első nyilvános bemutatójára 1886 -ban került sor . Egy nagy , kétfázisú generátort James Henry Gordon brit villanyszerelő épített -ben .  Lord Kelvin és Sebastian Ferranti ( eng. Sebastian Pietro Innocenzo Adhemar Ziani de Ferranti ) szintén kifejlesztett egy korai generátort, amely 100 és 300 hertz közötti frekvencián termelt váltakozó áramot . 1891-ben Nikola Tesla szabadalmaztatott egy praktikus "nagyfrekvenciás" generátort (amely körülbelül 15 000 hertz frekvencián működött). 1891 után feltalálták a többfázisú generátorokat. Dolivo-Dobrovolsky orosz mérnök, aki a berlini AEG cég főmérnökeként dolgozott, egy háromfázisú, háromvezetékes terheléssel rendelkező áramgenerátort fejlesztett ki és mutatott be . 1893-ban az általa bemutatott találmányt A. N. Scsensznovics alkalmazta az első ipari háromfázisú erőmű felépítésében a novorosszijszki gabonafelvonó részeként. [egy] 

Generátor elmélet

A generátor működési elve az elektromágneses indukció törvényén alapul  - az elektromotoros erő indukciója egy téglalap alakú áramkörben (huzalkeret), amely egyenletesen forgó mágneses mezőben helyezkedik el . Vagy fordítva, egy téglalap alakú áramkör egyenletes rögzített mágneses térben forog.

Tegyük fel, hogy az állandó mágnes által létrehozott egyenletes mágneses tér egy vezető hurokban (huzalvázban) egyenletes szögsebességgel forog a tengelye körül . A kontúr két egyenlő függőleges oldala (lásd az ábrát) aktív , mivel ezeket keresztezik a mágneses tér mágneses vonalai. A kontúr két külön-külön egyenlő vízszintes oldala nem aktív, mivel a mágneses tér mágneses vonalai nem keresztezik őket, a mágneses vonalak a vízszintes oldalakon csúsznak, az elektromotoros erő nem képződik bennük.

Az áramkör mindegyik aktív oldalán elektromotoros erő indukálódik, amelynek értékét a következő képlet határozza meg:

és ,

ahol

és - az áramkör aktív oldalain indukált elektromotoros erők  pillanatnyi értéke voltban ;

 - a mágneses tér mágneses indukciója volt - másodperc / négyzetméterben ( T , Tesla );

 - a kontúr aktív oldalainak hossza méterben ;

 - lineáris sebesség , amellyel a kontúr aktív oldalai forognak, méter per másodpercben;

 — idő másodpercben ; _

és  azok a szögek , amelyeknél a mágneses vonalak metszik a kontúr aktív oldalait.

Mivel az áramkör aktív oldalain indukált elektromotoros erők egymással összhangban hatnak, az így létrejövő elektromotoros erő az áramkörben indukálódik,

egyenlő lesz , vagyis az áramkörben indukált elektromotoros erő szinuszos törvény szerint változik.

Ha az áramkörben egyenletes mágneses tér egyenletes szögsebességgel forog, akkor abban szinuszos elektromotoros erő indukálódik .

A képletet úgy alakíthatja át , hogy az áramkörbe behatoló maximális mágneses fluxussal fejezi ki .

Az aktív oldalak relatív lineáris sebessége egyenlő a forgási sugár és a szögsebesség szorzatával , azaz.

Akkor kapunk

ahol

 a szinuszos elektromotoros erő amplitúdója ;

 a szinuszos elektromotoros erő fázisa ;

 a szinuszos elektromotoros erő szögsebessége , ebben az esetben egyenlő az áramkörben lévő mágnes szögsebességével.

Tekintettel arra, hogy az áramkör sok huzalfordulatból áll, az elektromotoros erő arányos a fordulatok számával, és a képlet így fog kinézni :

Ha beírjuk a képletbe a maximális mágneses fluxust, akkor .

Generátor készülék

Tervezés alapján megkülönböztethetjük:

Ez utóbbiak elterjedtek, mivel az állórész tekercsének mozdulatlansága miatt nincs szükség nagy nagyfeszültségű áram eltávolítására a forgórészről csúszóérintkezők (kefék) és csúszógyűrűk segítségével .

A generátor mozgatható részét forgórésznek , a rögzített részét pedig állórésznek nevezzük .

Az állórész különálló, egymástól elszigetelt vaslemezekből van összeállítva . Az állórész belső felületén hornyok vannak, ahol a generátor állórész tekercsének vezetékei vannak behelyezve.

A rotor általában tömör vasból készül, a forgórész mágneses pólusainak pólusdarabjait vaslemezből szerelik össze. Forgás közben minimális rés van az állórész és a forgórész pólusrészei között, hogy a lehető legnagyobb mágneses indukciót hozzuk létre. A pólusdarabok geometriai alakját úgy választjuk meg, hogy a generátor által generált áram a lehető legközelebb legyen a szinuszoshoz.

Az egyenárammal táplált gerjesztő tekercseket a pólusok magjaira helyezzük. Az egyenáramot kefék biztosítják a generátor tengelyén található csúszógyűrűknek .

A gerjesztés módszere szerint a generátorokat a következőkre osztják:

Szerkezetileg megkülönböztethetjük:

A fázisok száma alapján megkülönböztethetjük:

Háromfázisú generátor fázistekercseinek csatlakoztatásával:

A legelterjedtebb a „csillag” csatlakozás nulla vezetékkel (négyvezetékes áramkör), amely megkönnyíti a fáziskiegyensúlyozatlanságok kompenzálását, és kiküszöböli az állandó alkatrész és a parazita gyűrűáramok megjelenését a generátor tekercseiben, ami energiaveszteséghez vezet. és túlmelegedés.

Mivel a gyakorlatban sok kis fogyasztóval rendelkező villamosenergia-hálózatokban a különböző fázisok terhelése nem szimmetrikus (különböző elektromos teljesítmény van csatlakoztatva , vagy például aktív terhelés az egyik fázison, és induktív vagy kapacitív a másikon , akkor amikor csatlakoztatva van "háromszög" vagy "csillag" nulla vezeték nélkül , olyan kellemetlen jelenséget kaphat, mint a " fázisegyensúlyhiány ", például az egyik fázishoz csatlakoztatott izzólámpák gyengén világítanak, míg a többi fázisra túl magas elektromos feszültség kerül. a bekapcsolt készülékek pedig „kiégnek”.

A generátor által termelt váltóáram frekvenciája

Ezek a generátorok szinkronok , azaz a forgó mágneses tér szögsebessége ( fordulatszáma ) lineárisan függ a generátor forgórészének szögsebességétől (fordulatszámától) és aszinkron , amelyben csúszás van, vagyis a késés. az állórész mágneses mezőjének a forgórész szögsebességétől. A nehézkes szabályozás miatt az aszinkron generátorok kevés elosztást kaptak.

Ha a generátor forgórésze bipoláris, akkor az indukált elektromotoros erő egy teljes fordulatával teljes változási ciklust hajt végre.

Ezért a szinkrongenerátor elektromotoros erejének frekvenciája a következő lesz :

ahol

 - frekvencia hertzben ;

 - a rotor percenkénti fordulatszáma .

Ha a generátornak több póluspárja van , akkor ennek megfelelően egy ilyen generátor elektromotoros erejének frekvenciája

egy bipoláris generátor elektromotoros erejének frekvenciájának szorzata : .

A váltakozó áram frekvenciáját az elektromos hálózatokban szigorúan be kell tartani , Oroszországban és más országokban másodpercenként 50 periódus ( hertz ). Számos országban, például az USA -ban , Kanadában , Japánban 60 hertz frekvenciájú váltakozó áramot szolgáltatnak az elektromos hálózathoz. A repülőgépek fedélzeti hálózatában 400 hertz frekvenciájú váltakozó áramot használnak.

A táblázat bemutatja a generált váltakozó áram frekvenciájának függését a mágneses pólusok számától és a generátor fordulatszámától

Ezt a tényezőt a generátorok tervezésénél figyelembe kell venni.

Pólusok száma A forgórész fordulatszáma 50 hertz frekvencián,
percenként
A forgórész fordulatszáma 60 hertz frekvencián,
percenként
A forgórész fordulatszáma 400 hertz frekvenciánál,
percenként
2 3000 3600 24 000
négy 1500 1800 12 000
6 1000 1200 8000
nyolc 750 900 6000
tíz 600 720 4800
12 500 600 4000
tizennégy 428.6 514.3 3429
16 375 450 3000
tizennyolc 333.3 400 2667
húsz 300 360 2400
40 150 180 1200

Például egy gőzturbina 3000 ford./perc fordulatszámon működik optimálisan, a generátor pólusainak száma kettő.

Például egy dízel erőművekben használt dízelmotornál az optimális üzemmód 750 ford./perc, akkor a generátornak 8 pólusúnak kell lennie.

Például a nagy vízerőművek masszív és kis sebességű hidraulikus turbinái 150 fordulat / perc sebességgel forognak, akkor a generátornak 40 pólusúnak kell lennie.

Ezek a példák 50 hertzes váltóáram-frekvenciára vonatkoznak.

Szinkron generátor paraméterei

A szinkrongenerátorra jellemző főbb mennyiségek:

Generátor üresjárati jellemzői

A generátor elektromotoros ereje arányos a mágneses fluxus nagyságával és a generátor forgórészének percenkénti fordulatszámával :

, ahol  az arányossági együttható (a generátor tervezése határozza meg).

Bár a szinkrongenerátor EMF -jének nagysága függ a forgórész fordulatszámától, lehetetlen szabályozni a forgórész forgási sebességének változtatásával, mivel a generátor által generált váltakozó áram frekvenciája összefügg a forgórész fordulatszámával. a generátor forgórészének fordulatszáma. Amikor a generátor elektromos hálózatban működik, a frekvenciát szigorúan be kell tartani (Oroszországban 50 hertz ).

Ezért a szinkron generátor EMF értékének megváltoztatásának egyetlen módja a mágneses fluxus megváltoztatása .

A mágneses fluxus arányos az áramkörben lévő áram erősségével ( A , amper ) és az induktivitással ( H , henry ):

.

Innentől kezdve a szinkron generátor EMF képlete így fog kinézni :.

Az EMF szabályozás a mágneses fluxus változtatásával úgy történik, hogy a reosztátokat vagy elektronikus feszültségszabályozókat szekvenciálisan csatlakoztatják a gerjesztő tekercs áramköréhez . A generátor forgórészén csúszógyűrűk találhatók , a gerjesztőáramot a kefeszerelvényen keresztül táplálják ( csúsztató érintkezők ). Abban az esetben, ha egy kis gerjesztő generátor egy generátorral közös tengelyen található, akkor a szabályozást közvetetten, a gerjesztő generátor gerjesztőáramának szabályozásával hajtják végre.

Abban az esetben, ha a váltakozó áramú generátorokat permanens mágnesek gerjesztésével (például kisméretű energetikában) használják, a kimeneti feszültséget külső eszközökkel szabályozzák : feszültségszabályozók és stabilizátorok . Lásd még AC feszültség stabilizátorok , kapcsolási feszültség szabályozó .

Ha nem számít, milyen frekvenciájú áramot kapnak a generátor kapcsain (például a váltóáramot ezután egyenirányítják, mint az AC-DC átvitelű dízelmozdonyokon , mint például a ТЭ109 , ТЭ114 , ТЭ129 , ТЭМ7 stb.) - EMF szabályozása mind a gerjesztőáram változtatásával, mind a vontatási generátor fordulatszámának változtatásával történik .

Szinkron generátorok párhuzamos működése

Az erőművekben a szinkron generátorok párhuzamosan kapcsolódnak egymáshoz, hogy közös elektromos hálózaton működjenek együtt . Ha az elektromos hálózat terhelése alacsony, a generátoroknak csak egy része működik, megnövekedett energiafogyasztás mellett („ csúszásidő ”), a tartalék generátorok bekapcsolnak. Ez a módszer előnyös, mivel minden generátor teljes kapacitással működik , ezért a legnagyobb hatásfokkal .

A generátor szinkronizálása az elektromos hálózattal

Abban a pillanatban, amikor a tartalék generátort az elektromos buszokhoz csatlakoztatják, annak elektromotoros erejének számszerűen meg kell egyeznie a gumiabroncsokon lévő feszültséggel , azonos frekvenciájúnak kell lennie vele , és a fáziseltolódás nullával egyenlő. Azt a folyamatot, amely során a tartalék generátort a megadott feltételeket biztosító üzemmódba állítják, generátor szinkronizálásnak nevezik.

Ha ez a feltétel nem teljesül (a csatlakoztatott generátor nem kerül szinkron üzemmódba), akkor a hálózatból nagy áram folyhat a generátor felé, a generátor villanymotoros üzemmódban kezd működni, ami balesethez vezethet.

A csatlakoztatott generátor elektromos hálózattal való szinkronizálásához speciális eszközöket használnak, a legegyszerűbb formában - szinkronoszkóp .

A szinkroszkóp egy izzólámpa és egy „nulla” voltmérő , párhuzamosan kapcsolva a kapcsoló érintkezőivel , amely leválasztja a generátort a hálózati buszokról (illetve hány fázis, hány izzólámpa és voltmérő).

Amikor a kapcsoló nyitva van, a párhuzamos szerelvény "izzólámpa -" nulla "voltmérő" sorba van kötve a "generátor fázis - hálózati fázis" áramkörrel.

A generátor indítása után (nyitott kapcsoló mellett) névleges fordulatszámra kerül, és a gerjesztőáram beállításával a generátor kapcsain és a hálózati buszokon a feszültség megközelítőleg azonos .

Amikor a generátor közeledik a szinkronizáláshoz, az izzólámpák villogni kezdenek, és a szinte teljes szinkronizálás pillanatában kialszanak. A lámpák azonban olyan feszültségnél alszanak ki, amely nem egyenlő nullával; a voltmérők („nulla” voltmérők) a teljes nullát jelzik . Amint a "nulla" voltmérők 0 voltot mutatnak  - a generátor és az elektromos hálózat szinkronizálva van, bezárhatja a kapcsolót. Ha két izzólámpa (két fázison) kialszik, de a harmadik nem, ez azt jelenti, hogy a generátor egyik fázisa hibásan csatlakozik az elektromos hálózati buszhoz.

Jármű generátorok

A beépített félvezető háromfázisú híd-egyenirányítóval ellátott háromfázisú generátorokat modern autókban használják az autó akkumulátorának töltésére , valamint az elektromos fogyasztók táplálására , például gyújtásrendszerre , autóvilágításra , fedélzeti számítógépre , diagnosztikai rendszer és mások. A fedélzeti hálózat feszültségének állandóságát egy speciális feszültségszabályozó tartja fenn .

Az autóipari generátorok használata lehetővé teszi a generátor teljes méretének, súlyának csökkentését, megbízhatóságának növelését, miközben megtartja vagy akár növeli a teljesítményét az egyenáramú generátorokhoz képest [2] .

Például a G-12 egyenáramú generátor ( GAZ-69 autó ) 11 kg tömegű, névleges árama 20 amper , az 5,2 kg tömegű G-250P2 generátor ( UAZ-469 autó ) pedig 28 amper névleges áramot termel.

A hibrid járművekben generátorokat használnak , amelyek lehetővé teszik a belső égésű motor és az elektromos motor tolóerejének kombinálását . Ezzel elkerülhető a belső égésű motor alacsony terhelésű üzemmódban történő működése, valamint a mozgási energia visszanyerése , ami növeli az erőmű üzemanyag-hatékonyságát.

A dízelmozdonyokon , mint a TE109 , TE114 , TE129 , TEM7 , TEM9 , TERA1 , TEP150 , 2TE25K , AC-DC elektromos átvitelt alkalmaznak, szinkron háromfázisú vontatási generátorokat szerelnek be . Az egyenáramú vontatómotoroknál a generátor által termelt elektromosságot félvezető egyenirányító egyenirányítja. Az egyenáramú generátor váltóáramú generátorra történő cseréje lehetővé tette az elektromos berendezések tömegének csökkentését, a tartalékot fel lehet használni egy erősebb dízelmotor beszerelésére . A vontatási generátor azonban nem használható belső égésű motor indítóként , az indítást egyenáramú generátor végzi a vezérlőáramkörök számára.

A 2TE137 kísérleti dízelmozdonyon új orosz mozdonyok 2TE25A , TEM21 , AC-AC elektromos hajtóművet alkalmaznak, aszinkron vontatómotorokkal.

Indukciós motorok, mint generátorok

Reverzibilis elektromos gépként az aszinkron váltakozóáramú motor generátor üzemmódba kapcsolható .

Generátor üzemmódban a csúszás (a rotor szögsebessége és a forgó mágneses tér szögsebessége közötti különbség) előjelet vált,
azaz az indukciós motor aszinkron generátorként működik .

Ezt a zárványt főleg a közlekedésben használják reosztatikus vagy regeneratív fékezéshez (ahol az aszinkronokat vontatómotorként használják ).

Generátorok hűtése

Működés közben a generátorban energiaveszteség lép fel, amely hő- és fűtőelemekké alakul. Bár a modern generátorok hatásfoka nagyon magas, az abszolút veszteségek meglehetősen nagyok, ami az aktív acél, a réz és a szigetelés hőmérsékletének jelentős növekedéséhez vezet . A szerkezeti elemek hőmérsékletének emelkedése viszont fokozatos tönkremeneteléhez és a generátor élettartamának csökkenéséhez vezet [3] [4] . Ennek megakadályozására különféle hűtőrendszereket alkalmaznak.

A következő típusú hűtőrendszerek léteznek: felületi (közvetett) és közvetlen hűtés [3] . A közvetett hűtés viszont lehet levegő és hidrogén.

A hidrogénes hűtőrendszereket gyakrabban szerelik fel nagy generátorokra, mivel ezek jobb hőelvonást biztosítanak [5] (A levegőhöz képest a hidrogénnek nagyobb a hővezető képessége és 10-szer kisebb a sűrűsége [6] ). A hidrogén gyúlékony és robbanásveszélyes, ezért a szellőzőrendszer leválasztását és a nagynyomású karbantartást alkalmazzák.

Lásd még

Jegyzetek

  1. Rybnikova, I. A. A novorosszijszki tengeri kikötőben a gabonaátrakó létesítmények építésének történeti vonatkozásai a 19-20. század fordulóján  / I. A. Rybnikova, A. M. Rybnikov // VESTNIK ISTU. - 2014. - 7. szám (90). — ISSN 1814-3520 .

    Az erőmű a felvonószerkezetek villanymotorjait hivatott biztosítani, .... Az építkezést A. N. Shchensnovich felügyelte, aki I. O. Dolivo-Dobrovolsky találmányát használta fel. Az állomásra a rajzokat a svájci Brown Boveri cég készítette, a felvonó gépészeti műhelyében pedig az összes fő elektromos berendezést a helyszínen készítették el, beleértve a villanymotorok tekercselését és összeszerelését is.

  2. ↑ A személygépkocsik áramellátó rendszerében használt generátor ugyanazokkal az előnyökkel rendelkezik.
  3. 1 2 Erőművek és alállomások. 2. téma: Szinkron generátorok és kompenzátorok . Letöltve: 2013. április 29. Az eredetiből archiválva : 2016. március 5..
  4. Elektromos gépek gázhűtői . Letöltve: 2013. április 29. Az eredetiből archiválva : 2013. május 17..
  5. Generátor hidrogén hűtőrendszer  (hozzáférhetetlen link)
  6. A szinkrongépek működési elve és kialakítása . Letöltve: 2013. április 29. Az eredetiből archiválva : 2014. szeptember 13..

Irodalom

Linkek