История создания генератора.
В 1833 году русский ученный Э.Х.Ленц выдвинул теорию об обратимости эклектических машин. Он предположил, что если на одну и туже машину подать электричество, то она станет работать как электродвигатель, а если ее роутер с помощью другой машины привести в движение, то получиться генератор эклектического тока. А в 1987 году, бывшим членом комиссии испытывающей действие эклектического мотора Якоби доказал теорию обратимости эклектической машины.
Братья Пиксин, работающие техниками в Париже, основываясь на знаниях о явлении электромагнитной индукции, создали первый генератор электрического тока. Работа этого генератора основывалась на вращении тяжелого постоянного магнита, с помощью которого возникал переменный ток в двух неподвижно укрепленных вблизи полюсов проволочных катушек. Пользоваться этим генератором было крайне неудобно. В генератор было установлено устройство по выпрямлению тока. В дальнейшем для повышения мощности электрической машины братья увеличили число катушек и магнитов. В результате данного изобретения была в 1843 году построена машина, получившая название генератор Эмиля Штерера. Особенностью данной машины были шесть катушек, которые вращались вокруг вертикальной оси и три стальных подвижных магнита. До 1851 на первом этапе развития электрогенераторов магнитное поле получали при использовании постоянных магнитов.
Вторым этапом 1851-1867 гг. было создание генераторов, используемых электромагниты вместо постоянных магнитов. Что позволило увеличить мощность электрической машины.
Подобная машина была создана англичанином Генри Уальдом в 1863 г. В ходе эксплуатации данного вида генератора выяснилась уникальная возможность. Генераторы, вырабатывая электричество для потребителя, могли одновременно снабжать током и свои электромагниты. Как выяснилось, это возможно благодаря остаточному магнетизму, сохраняющемуся в сердечнике электромагнита даже после выключения тока. А значит, генератор с самовозбуждением может давать ток при запуске из состояния покоя. Основываясь на данном открытии, в 1866-1867гг изобретатели в разных уголках мира получили патенты на самовозбуждающиеся генераторы.
В 1870 году бельгийцем Зеноб Граммом был создан генератор, использовавший принцип самовозбуждения, а также был усовершенствован якорь, изобретенный Пачинотти в 1860 году. Данный генератор получил применение во многих областях промышленности.
В 1873 году на Венской международной выставке была произведена следующая демонстрация. Две одинаковые машины были соединены между собой километровыми проводами. Первая машина, служившая генератором электроэнергии, приводилась двигателем внутреннего сгорания в движение. Вторая являлась источником питания для насоса, получив по проводам электричество от первой. Это стало наглядной демонстрацией открытой Ленцем обратимости эклектических машин и легло в основу передачи энергии на расстояние.
Электрическая индукция или эффект трибоэлектрический, основанный на возникновении заряда, возникающий в следствии механического контакта двух диэлектриков, являются механизмом для выработки заряда.
Электрические генераторы, имеющие низкую мощность, имели низкую эффективность и проблемы с изоляцией так и никогда не получили масштабного использования в промышленности. Дожившие до нашего времени эклектические машины — это электрофорная машина, а также генератор Ваан де Графа.
Область применения электрогенератора разнообразна.
Основываясь на большом опыте работы, наша Компания разработала инструкцию для самостоятельного подбора генератора.
Данный текст поможет Вам максимально точно посчитать требуемую Вашему объекту мощность генератора.
Электрогенератор
Электри́ческий генера́тор — это устройство, в котором неэлектрические виды энергии (механическая, химическая, тепловая) преобразуются в электрическую энергию.
Содержание
История
До того, как была открыта связь между электричеством и магнетизмом, использовались электростатические генераторы, которые работали на основе принципов электростатики. Они могли вырабатывать высокое напряжение, но имели маленький ток. Их работа была основана на использовании наэлектризованных ремней, пластин и дисков для переноса электрических зарядов с одного электрода на другой. Заряды вырабатывались, используя один из двух механизмов:
По причине низкой эффективности и сложностей с изоляцией машин, вырабатывающих высокие напряжения, электростатические генераторы имели низкую мощность и никогда не использовались для выработки электроэнергии в значимых для промышленности масштабах. Примерами доживших до наших дней машин подобного рода являются электрофорная машина и генератор Ван де Граафа.
Динамо-машина Йедлика
В 1827 венгр Аньош Иштван Йедлик начал экспериментировать с электромагнитными вращающимися устройствами, которые он называл электромагнитные самовращающиеся роторы. В прототипе его униполярного электродвигателя (был завершен между 1852 и 1854) и стационарная и вращающаяся части были электромагнитные. Он сформулировал концепцию динамо-машины по меньшей мере за 6 лет до Сименса и Уитстона, но не запатентовал изобретение, потому что думал, что он не первый, кто это сделал. Суть его идеи состояла в использовании вместо постоянных магнитов двух противоположно расположенных электромагнитов, которые создавали магнитное поле вокруг ротора. Изобретение Йедлика на десятилетия опередило его время.
Диск Фарадея
В 1831—1832 Майкл Фарадей открыл принцип работы электромагнитных генераторов. Принцип, позднее названный законом Фарадея, заключался в том, что разница потенциалов образовывалась между концами проводника, который двигался перпендикулярно магнитному полю. Он также построил первый электромагнитный генератор, названный «диском Фарадея», который являлся униполярным генератором, использовавшим медный диск, вращающийся между полюсами подковообразного магнита. Он вырабатывал небольшое постоянное напряжение и сильный ток.
Конструкция была несовершенна, потому что ток самозамыкался через участки диска, не находившиеся в магнитном поле. Паразитный ток ограничивал мощность, снимаемую с контактных проводов и вызывал бесполезный нагрев медного диска. Позднее в униполярный генераторах удалось решить эту проблему, расположив вокруг диска множество маленьких, распределенных по всему периметру диска, чтобы создать равномерное поле и ток только в одном направлении.
Другой недостаток состоял в том, что выходное напряжение было очень маленьким, потому что образовывался только один виток вокруг магнитного потока. Эксперименты показали, что используя много витков провода в катушке можно получить часто требовавшееся более высокое напряжение. Обмотки из проводов стали основной характерной чертой всех последующих разработок генераторов.
Однако, последние достижения (редкоземельные магниты), сделали возможными униполярные двигатели с магнитом на роторе, и должны внести много усовершенствований в старые конструкции.
Динамо-машина
Динамо-машина стала первым электрическим генератором, способным вырабатывать мощность для промышленности. Работа динамо-машины основана на законах электромагнетизма для преобразования механической энергии в пульсирующий постоянный ток. Постоянный ток вырабатывался благодаря использованию механического коммутатора. Первая динамо-машина была построена Hippolyte Pixii в 1832.
Пройдя ряд менее значимых открытий динамо-машина стала прообразом из которого появились дальнейшие изобретения, такие как двигатель постоянного тока, генератор переменного тока, синхронный двигатель, роторный преобразователь.
Динамо-машина состоит из статора, который создает постоянное магнитное поле, и набора вращающихся обмоток, вращающихся в этом поле. На маленьких машинах постоянное магнитное поле могло создаваться с помощью постоянных магнитов, у крупных машин постоянное магнитное поле создается одним или несколькими электромагнитами, обмотки которых обычно называют обмотками возбуждения.
Большие мощные динамо-машины сейчас можно редко где увидеть, из-за большей универсальности использования переменного тока на сетях электропитания и электронных твердотельных преобразователей постоянного тока в переменный. Однако до того, как был открыт переменный ток, огромные динамо-машины, вырабатывающие постоянный ток, были единственной возможностью для выработки электроэнергии. Сейчас динамо-машины являются редкостью.
Другие электрические генераторы, использующие вращение
Без коммутатора динамо-машина является примером генератора переменного тока. С электромеханическим коммутатором динамо-машина классический генератор постоянного тока. Генератор переменного тока должен всегда иметь постоянную частоту вращения ротора и быть синхронизирован с другими генераторами в сети распределения электропитания. Генератор постоянного тока может работать при любой частоте ротора в допустимых для него пределах но вырабатывает постоянный ток.
МГД генератор
Магнитогидродинамический генератор напрямую вырабатывает электроэнергию из энергии движущейся через магнитное поле плазмы без использования вращающихся частей. Разработка генераторов этого типа началась потому, что на выходе его высокотемпературные продукты сгорания, которые можно использовать для нагрева пара в парогазовых электростанциях и таким образом, повысить общий КПД.
Классификация
- Электромеханические
Электромеханические индукционные генераторы
На сегодняшний день наиболее распространённым типом является индукционный электромеханический генератор. Абсолютное большинство тепловых, гидравлических, ветряных, атомных, приливных, геотермальных электростанций, а так же некоторые солнечные используют этот тип генератора.
Электромеханический генера́тор — это электрическая машина, в которой механическая работа преобразуется в электрическую энергию.
История
Первыми электрическими генераторами были – электростатические генераторы. Принцип их действия был основан на явлении статического электричества. Но широкого применения в промышленности эти генераторы не получили, так как они развивали высокое напряжение при малом токе. Ярким примером таких генераторов стал генератор Ван де Граафа. Этот генератор был изобретен Робертом Ван де Граафом в 1929 году и в основном служил для ядерных исследований.
Затем люди начали предпринимать попытки по созданию электромагнитных генераторов, то есть генераторов, работа которых основана на явлении электромагнитной индукции. Одним из первых в этом направлении стал гениальный физик Майкл Фарадей, который как раз и открыл явление электромагнитной индукции. Также он сформировал принцип работы генераторов, который был назван законом Фарадея. Его суть заключалась в том, что в проводнике, движущемся перпендикулярно магнитному полю, образовывалась разность потенциалов. Доказательством этого принципа стал диск Фарадея. Это простейший генератор, который представлял из себя медный диск, вращающийся между концами подковообразного магнита.
В 1832 году Ипполит Пикси построил первую динамо-машину. Она представляла из себя машину, в которой имелся статор, создающий постоянное магнитное поле и нескольких обмоток, которые в нем вращались. Ток снимался с помощью механического коммутатора. По сути это был первый генератор постоянного тока.
Потом развитие промышленности пошло вверх, и были изобретены генераторы переменного тока, асинхронные и постоянные двигатели.
Принцип действия
Принцип действия электрического генератора основан на взаимодействии проводника и магнитного поля, в котором он движется. Как всегда приводится классический пример с рамкой в магнитном поле. Когда рамка вращается, её пересекают линии магнитной индукции, при этом в рамке образовывается электродвижущая сила. Эта ЭДС заставляет ток течь по рамке и с помощью контактных колец попадать во внешнюю цепь. Примерно так устроен простейший электрический генератор.
Подробнее пример с рамкой разобран в статье – переменный синусоидальный ток.
Применение
Применение электрических генераторов обширно. Они применяются практически везде, где это только возможно. Снабжают
наши дома электроэнергией, заряжают аккумуляторы в автомобилях, используются в промышленности и многое другое.
В настоящее время стали популярны автономные бензиновые и дизельные электрогенераторы, которые могут служить источниками электрической энергии при её отключении, либо вообще при её отсутствии. Такие генераторы используются в быту и в строительстве, так как форма тока имеет искажения, то без применения специального инвертора, подключать к ним какие-то электронные устройства не целесообразно, так как они могут выйти из строя.
Как работает индукционный генератор вращательного типа
Электричество не является первичной энергией, свободно присутствующей в природе в значительных количествах, и для использования его в промышленности и быту оно должно быть произведено. Большую его часть создают устройства, преобразующие движущую силу в электрический ток — так работают генераторы, источниками механической энергии для которых могут служить паровые и водяные турбины, ДВС и даже мускульная сила человека.
История и эволюция
Открытие Майклом Фарадеем в 1831 г. законов электромагнитной индукции стало основой для построения электрических машин. Но до появления электрического освещения не было необходимости в коммерческой реализации технологии. В ранних потребителях электроэнергии, например, в телеграфе, как источник питания использовались гальванические батареи. Это был очень дорогой способ производства электричества.
В конце XIX века многие изобретатели искали применение принципу индукции Фарадея для выработки электроэнергии механическим способом. Одними из важных достижений были разработка динамо Вернером фон Сименсом и производство Ипполитом Фонтеном рабочих моделей генераторов Теофила Грамма. Первые устройства использовались вместе с приборами наружного дугового освещения, известными как свечи Яблочкова.
На смену им пришла весьма успешная система Томаса Эдисона на лампах накаливания. В основе его коммерческих электростанций были мощные генераторы, но схема, построенная на производстве постоянного тока, была плохо приспособлена для распределения питания на большие расстояния из-за внушительных теплопотерь.
Никола Тесла разработал усовершенствованный генератор переменного тока, а также практичный асинхронный двигатель. Эти электрические машины наряду с трансформаторами для повышения и понижения напряжения дали основу для создания электрокомпаниями более крупных сетей распределения с использованием мощных электростанций. В больших энергетических системах переменного тока затраты на генерацию и транспортировку были в несколько раз ниже, чем в схеме Эдисона, что стимулировало спрос на электроэнергию и, как следствие, дальнейшую эволюцию электрических машин. Основными датами в истории генераторов можно считать:
- 1820 г. — Андре-Мари Ампер обнаружил, что электрический ток воздействует на магнитное поле;
- 1832 г. — создание Фарадеем простейшего униполярного генератора;
- 1849 г. — первое применение для питания дуговых ламп маяков;
- 1866 г. — одновременное открытие несколькими изобретателями динамоэлектрического принципа;
- 1891 г. — демонстрация коммерческой машины для производства многофазного напряжения;
- 1895 г. — запущена гидроэлектростанция на Ниагаре.
Принцип работы
Генераторы, работающие на принципе электромагнитной индукции, не создают электричества. Они с помощью механической энергии лишь приводят в движение электрические заряды, которые всегда присутствуют в проводниках. Принцип работы электрогенератора можно сравнить с водяным насосом, вызывающим поток воды, но не создающим воду в трубах. Подавляющее большинство индукционных генераторов представляет собой электрические машины вращательного типа, состоящие из двух основных компонентов:
- статор (неподвижная часть);
- ротор (вращающаяся часть).
Для иллюстрации того, как работает электрогенератор, может служить простейшая электрическая машина, состоящая из витка проволоки и U-образного магнита. Основные принципиальные элементы этой модели:
- магнитное поле;
- движение проводника в магнитном поле.
Магнитным полем называется область вокруг магнита, где его сила ощутима. Чтобы лучше понимать работу модели, можно представить силовые линии, выходящие с северного полюса магнита и возвращающиеся в южный. Чем сильнее магнит, тем большее количество силовых линий он создаёт. Если виток начать вращать между полюсами, то обе его стороны начнут пересекать воображаемые магнитные линии. Это вызывает движение электронов в проводнике (генерацию электричества).
В соответствии с правилом правой руки при вращении витка в нём будет индуцироваться ток, изменяющий своё направление через каждые пол-оборота, так как силовые линии сторонами витка будут пересекаться то в одном, то в другом направлении. Дважды за каждый оборот виток проходит через положения (параллельно полюсам), при которых электромагнитная индукция не возникает. Таким образом, простейший генератор работает как электрическая машина, производящая переменный ток. Создаваемое им напряжение может быть изменено за счёт:
- силы магнитного поля;
- скорости вращения витка;
- количества витков провода, пересекающих силовые линии магнитного поля.
Виток проводника, проворачивающийся между полюсами магнита, создаёт ещё один важный эффект. Когда в витке протекает ток, он создаёт электромагнитное поле, обратное полю постоянного магнита. И чем больше электричества индуцируется в витке, тем сильнее магнитное поле и сопротивление проворачиванию проводника. Эта же магнитная сила в витках вызывает вращение ротора электромотора, то есть при определённых условиях генераторы могут работать как двигатели и наоборот.
Особенности генераторов AC
Переменный ток (AC) производит описанный простейший генератор. Для того чтобы созданное электричество можно было использовать, его нужно каким-то образом доставить к нагрузке. Это осуществимо при помощи контактного узла на валу, состоящего из вращающихся колец и скользящих по ним фиксированных деталей из углерода, называемых щётками. Каждый конец вращающегося проводника соединён с соответствующим кольцом, и ток, таким образом создаваемый в витке, проходит через кольца и щётки к нагрузке.
Строение промышленных машин
Практические генераторы отличаются от простейших. Обычно они снабжены возбудителем — вспомогательным генератором, подающим постоянный ток электромагнитам, используемым для создания магнитного поля в генераторе.
Вместо витка в простейшей модели практические устройства оснащают обмотками из медной проволоки, а роль магнита выполняют катушки на железных сердечниках. В большинстве генераторов переменного тока электромагниты, создающие переменное поле, размещаются на роторе, а электроэнергия индуцируется в катушках статора.
В подобных устройствах коллектор используется для переноса постоянного тока от возбудителя на магниты. Это значительно упрощает конструкцию, так как удобнее передавать через щётки слабые токи и принимать высокое напряжение с неподвижных обмоток статора.
Применение в сетях
В некоторых машинах количество секций обмоток совпадает с количеством электромагнитов. Но большинство генераторов AC оснащено тремя наборами катушек для каждого полюса. Такие машины производят три потока электричества и называются трёхфазными. Их удельная мощность значительно выше, чем у однофазных.
На электростанциях в качестве преобразователей механической энергии в электрическую служат генераторы AC. Это связано с тем, что напряжение переменного тока легко увеличить или уменьшить с помощью трансформатора. В крупных генераторах производится напряжение около 20 тыс. вольт. Затем оно повышается более чем на порядок для возможности транспортировки электричества на большие расстояния. В месте применения электроэнергии с помощью серии понижающих трансформаторов создаётся напряжение, пригодное для использования.
Устройство динамо-машин
Виток провода, вращающийся между полюсами магнита, за каждый оборот дважды меняет полюса на концах проводника. Чтобы превратить простейшую модель в генератор постоянного тока, необходимо сделать две вещи:
- отвести ток с витка на нагрузку;
- организовать протекание отведённого тока только в одном направлении.
Роль коллектора
Устройство, называемое коллектором, способно выполнить обе задачи. Его отличие от контактного щёточного узла в том, что его основу составляет не кольцо из проводника, а набор из сегментов, изолированных друг от друга. Каждый конец вращающегося контура соединён с соответствующим сектором коллектора, а две неподвижные угольные щётки снимают с коммутатора электрический ток.
Коллектор устроен таким образом, что независимо от полярности на концах витка и фазы вращения ротора контактная группа обеспечивает току нужное направление при передаче его на нагрузку. Обмотки в практических динамо состоят из множества сегментов, поэтому для генераторов постоянного тока из-за необходимости их коммутации схема, при которой якорь с индуцируемыми катушками вращается в магнитном поле, оказалась предпочтительнее.
Питание электромагнитов
Классические динамо используют постоянный магнит для индуцирования поля. Остальные генераторы DC нуждаются в питании для электромагнитов. В так называемых раздельно возбуждаемых генераторах для этого используются внешние источники постоянного тока. Самовозбуждающиеся устройства реализуют часть самостоятельно производимого электричества для управления электромагнитами. Запуск таких генераторов после остановки зависит от их возможности накапливать остаточный магнетизм. В зависимости от способа соединения катушек возбуждения с обмотками якоря разделяют:
- шунтовые (с параллельным возбуждением);
- сериесные (с последовательным возбуждением);
- смешанного возбуждения (с комбинацией шунтового и последовательного).
Типы возбуждения применяются в зависимости от требуемого контроля напряжения. Например, генераторы, используемые для зарядки аккумуляторов, нуждаются в простом управлении напряжением. В этом случае подходящим типом будет шунтовой. В качестве машин, генерирующих энергию для пассажирского лифта, применяют отдельно возбуждаемый генератор, так как подобные системы требуют сложного управления.
Применение коллекторных генераторов
Многие генераторы DC приводятся в действие двигателями переменного тока в комбинациях, называемых мотор-генераторными установками. Это один из способов изменения переменного тока на постоянный. Заводы, выполняющие гальванизацию, производящие алюминий, хлор и некоторые другие материалы электрохимическим способом, нуждаются в большом количестве прямого тока.
С помощью дизель-электрогенераторов производится также энергоснабжение DC на локомотивах и судах. Поскольку коллекторы являются сложными и ненадёжными устройствами, зачастую генераторы DC заменяются на машины, производящие AC в сочетании с электронными. Коммутаторные генераторы нашли применение в маломощных сетях, позволяющих использовать динамо на постоянных магнитах без контуров возбуждения.
Существуют и другие типы устройств, которые способны производить электричество. К ним относятся электрохимические батареи, термоэлектрические и фотоэлектрические элементы, топливные преобразователи. Но в сравнении с индукционными генераторами AC/DC их доля в мировом производстве энергии ничтожна.