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.
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]
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 .
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”.
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 fordulatszámátólEzt 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.A szinkrongenerátorra jellemző főbb mennyiségek:
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 .
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 .
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.
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.
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 ).
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.
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.
Szótárak és enciklopédiák | |
---|---|
Bibliográfiai katalógusokban |