Генератор тока.
Генератор тока — это такой тип электрической машины, которая способствует преобразованию механической энергии в электрическую. Основано действие генераторов тока по принципу электромагнитной индукции: электродвижущая сила (ЭДС) наводится в движущемся в магнитном поле проводе.
Производить генератор тока может не только постоянный, но и переменный ток. На латыни слово генератор (generator) означает — производитель.
На мировом рынке наиболее известными поставщиками генераторов являются компании: General Electric (GE), ABB, Siemens AG, Mecc Alte.
Генераторы постоянного тока.
Единственным типом источника для получения электроэнергии на протяжении долгого времени были электрические генераторы.
Переменный ток индуктируется в обмотке якоря генератора постоянного тока, затем он электромеханическим выпрямителем — коллектором преобразуется в постоянный ток. Особенно при большой частоте вращения якоря генератора, процесс выпрямления тока коллектором связан с очень частым износом щеток и коллектора.
Различаются генераторы постоянного тока по характеру их возбуждения, они бывают с самовозбуждением и независимого возбуждения. К независимому источнику питания в генераторах с электромагнитным возбуждением подключается обмотка возбуждения, располагающаяся на главных полюсах.
Постоянными магнитами, из которых производятся полюсы машины, возбуждаются генераторы с магнитоэлектрическим возбуждением. Основное применение генераторы постоянного тока находят в тех отраслях промышленности, где постоянный ток является предпочтительным по условиям производства (предприятия электролизной и металлургической промышленности, суда, транспорт и прочие). В качестве источников постоянного тока и возбудителей синхронных генераторов применяются генераторы постоянного тока на электростанциях.
Может достигать до 10 Мегаватт мощность генератора тока.
Генераторы переменного тока.
При достаточно высоком напряжении получать большие токи позволяют генераторы переменного тока. Несколько типов индукционных генераторов различают в настоящее время.
Они состоят из создающего магнитное поле постоянного магнита или электромагнита и обмотки, индуцируется в которой переменная ЭДС. Так как складываются наводимые в последовательно соединенных витках ЭДС, то в рамке индукции амплитуда ЭДС будет пропорциональна количеству в ней витков. Также она пропорциональна через каждый виток амплитуде переменного магнитного потока. В генераторах тока, чтобы получить большой магнитный поток применяется специальная магнитная система, состоящая из двух сердечников, изготовленных из электротехнической стали. В пазах одного из сердечников размещены создающие магнитное поле обмотки, а в пазах второго располагаются обмотки, в которых индуцируется ЭДС. Один из сердечников называется ротором, так как он вращается вокруг вертикальной или горизонтальной оси, вместе со своей обмоткой.
Другой сердечник называется статором — это неподвижный сердечник с его обмоткой. Как можно меньшим делается зазор между сердечниками ротора и статора, наибольшее значение потока магнитной индукции обеспечивается этим. Электромагнит, являющийся ротором вращается в больших промышленных генераторах, а обмотки, уложенные в пазах статора и в которых наводится ЭДС остаются неподвижными.
С помощью скользящих контактов приходится во внешнюю цепь подводить ток к ротору или отводить его из обмотки ротора. Контактными кольцами, которые присоединены к концам его обмотки для этого снабжается ротор. К кольцам прижаты неподвижные пластины-щетки, они осуществляют связь с внешней цепью обмотки ротора. В обмотках создающего магнитное поле электромагнита, сила тока значительно меньше той силы тока, которую отдает генератор тока во внешнюю цепь. Поэтому гораздо удобнее снимать генерируемый ток с неподвижных обмоток, а сравнительно слабый ток подводить через скользящие контакты к вращающемуся электромагниту. Вырабатывается этот ток, расположенным на том же валу отдельным генератором постоянного тока (возбудителем). Вращающимся магнитом создается магнитное поле в маломощных генераторах тока, щетки и кольца в таком случае вообще не требуются.
Бывают двух типов обмотки возбуждения синхронных генераторов: с явнополюсными и неявнополюсными роторами. Выступают из индуктора несущие обмотки возбуждения в генераторах с явнополюсными роторами полюса. На сравнительно низкие частоты вращения рассчитаны генераторы данного типа, они используются для работы с приводом от поршневых паровых машин, гидротурбин, дизельных двигателей. Для привода синхронных генераторов с неявнополюсными роторами применяются газовые и паровые турбины. Стальную поковку с фрезерованными продольными пазами для витков обмотки возбуждения, которые обычно выполнены в виде медных пластин, представляет собой ротор такого генератора. В пазах фиксируются витки, а для снижения потерь мощности и уровня шума, связанных с сопротивлением воздуха шлифуется, а затем полируется поверхность ротора.
По большей части трехфазными делаются обмотки генераторов тока. Подобное сочетание движущихся частей, способных создавать энергию также экономично и непрерывно, встречается в механике редко.
Современный генератор тока является внушительным сооружением, состоящим из медных проводов, стальных конструкций и изоляционных материалов. С точностью до 1 миллиметра изготавливаются важнейшие детали генераторов, которые сами имеют размеры несколько метров.
Электрический генератор
Основное оборудование электрических станций и подстанций
Электрический генератор — это устройство, в котором неэлектрические виды энергии (механическая, химическая, тепловая) преобразуются в электрическую энергию.
История изобретения генератора электрического тока
Русский ученый Э.Х.Ленц еще в 1833г. указал на обратимость электрических машин: одна и та же машина может работать как электродвигатель, если ее питать током, и может служить генератором электрического тока, если ее ротор привести во вращение каким-либо двигателем, например паровой машиной. В 1838г. Ленц, один из членов комиссии по испытанию действия электрического мотора Якоби, на опыте доказал обратимость электрической машины.
Первый генератор электрического тока, основанный на явлении электромагнитной индукции, был построен в 1832г. парижскими техниками братьями Пиксин. Этим генератором трудно было пользоваться, так как приходилось вращать тяжелый постоянный магнит, чтобы в двух проволочных катушках, укрепленных неподвижно вблизи его полюсов, возникал переменный электрический ток. Генератор был снабжен устройством для выпрямления тока. Стремясь повысить мощность электрических машин, изобретатели увеличивали число магнитов и катушек. Одной из таких машин, построенной в 1843г., был генератор Эмиля Штерера. У этой машины было три сильных подвижных магнита и шесть катушек, вращавшихся от рук вокруг вертикальной оси. Таким образом, на первом этапе развития электромагнитных генераторов тока (до 1851г.) для получения магнитного поля применяли постоянные магниты. На втором этапе (1851-1867гг.) создавались генераторы, у которых для увеличения мощности постоянные магниты были заменены электромагнитами. Их обмотка питалась током от самостоятельного небольшого генератора тока с постоянными магнитами. Подобная машина была создана англичанином Генри Уальдом в 1863г.
При эксплуатации этой машины выяснилось, что генераторы, снабжая электроэнергией потребителя, могут одновременно питать током и собственные магниты. Оказалось, что сердечники электромагнитов сохраняют остаточный магнетизм после выключения тока. Благодаря этому генератор с самовозбуждением дает ток и тогда, когда его запускают из состояния покоя. В 1866-1867гг. ряд изобретателей получили патенты на машины с самовозбуждением.
В 1870г. бельгиец Зеноб Грамм, работавший во Франции, создал генератор, получивший широкое применение в промышленности. В своей динамо-машине он использовал принцип самовозбуждения и усовершенствовал кольцевой якорь, изобретенный еще в 1860 г.А.Пачинотти.
В одной из первых машин Грамма кольцевой якорь, укрепленный на горизонтальном валу, вращался между полюсными наконечниками двух электромагнитов. Якорь приводился во вращение через приводной шкив, обмотки электромагнитов были включены последовательно с обмоткой якоря. Генератор Грамма давал постоянный ток, который отводится с помощью металлических щеток, скользивших по поверхности коллектора. На Венской международной выставке в 1873г. демонстрировались две одинаковые машины Грамма, соединенные проводами длиной 1 км. Одна из машин приводилась в движение от двигателя внутреннего сгорания и служила генератором электрической энергии. Вторая машина получала электрическую энергию по проводам от первой и, работая как двигатель, приводила в движение насос. Это была эффектная демонстрация обратимости электрических машин, открытой Ленцем, и демонстрация принципа передачи энергии на расстояние.
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:
- Электростатическую индукцию
- Трибоэлектрический эффект, при котором электрический заряд возникал из-за механического контакта двух диэлектриков
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.
Принцип работы любого электрического генератора
Принцип работы любого электрического генератора основан на явлении электромагнитной индукции. Электромагнитная индукция преобразовывает механическую энергию двигателя (вращение0 в энергию электрическую. Принцип магнитной индукции: если в однородном магнитном поле В равномерно вращается рамка, то в ней возникает, переменная Э.Д.С., частота которой равна частоте вращения рамки. Будем ли мы вращать рамку в магнитном поле, или магнитное поле вокруг рамки, либо магнитное поле внутри рамки, результат будет один — Э.Д.С., изменяющаяся по гармоническому закону.
Вот теперь и поговорим о асинхронном и синхронном генераторе более подробно.
Синхронный электрогенератор
Синхронный электрогенератор — это синхронная машина, работающая в режиме генератора в которой частота вращения магнитного поля статора равна частоте вращения ротора. Ротор с магнитными полюсами создает вращающееся магнитное поле, которое пересекая обмотку статора, наводит в ней ЭДС. В синхронном генераторе ротор выполнен виде постоянного магнита или электромагнита.
Число полюсов ротора может быть два, четыре и т.д., но кратно двум. В бытовых электростанциях используется, как правило, ротор с двумя полюсами, чем и обусловлена частота вращения двигателя электростанции 3000 об/мин. Ротор, при запуске электростанции, создает слабое магнитное поле, но с увеличением оборотов, увеличивается и ЭДС в обмотке возбуждения. Напряжение с этой обмотки через блок автоматической регулировки (AVR) поступает на ротор, контролируя выходное напряжение за счет изменения магнитного поля. Например, подключенная индуктивная нагрузка размагничивает генератор и снижает напряжение, а при подключении емкостной нагрузки происходит подмагничивание генератора и повышение напряжения. Это называется «реакцией якоря».
Для обеспечения стабильности выходного напряжения необходимо изменять магнитное поле ротора путем регулирования тока в его обмотке, что и обеспечивается блоком AVR. Преимуществом таких генераторов является высокая стабильность выходного напряжения, а недостатком — возможность перегрузки по току, так как при завышенной нагрузке, регулятор может чрезмерно повысить ток в обмотке ротора. Еще к недостаткам синхронного генератора можно отнести наличие щеточного узла, который рано или поздно придется обслуживать. Благодаря такому способу регулировки, вне зависимости от изменения тока нагрузки и оборотов двигателя электростанции стабильность выходного напряжения генератора остается очень высокой, примерно ±1%.
Асинхронный электрогенератор
Асинхронный электрогенератор — асинхронная машина (двигатель) работающая в режиме торможения, ротор которой вращается с опережением, но в том же направлении что и магнитное поле статора. В зависимости от типа обмотки, ротор может быть короткозамкнутым либо фазным.
Вращающееся магнитное поле, созданное вспомогательной обмоткой статора, индуцирует на роторе магнитное поле, которое вращаясь вместе с ротором, наводит ЭДС в рабочей обмотке статора, так же как и в синхронном генераторе. Вращающееся магнитное поле остается всегда неизменным и не регулируемо, вследствие чего напряжение и частота на выходе генератора зависит от частоты оборотов ротора, а следовательно от стабильности работы двигателя электростанции.
Несмотря на простоту обслуживания, малую чувствительность к короткому замыканию и невысокую стоимость, асинхронные генераторы применяются достаточно редко, так как имеются ряд недостатков: асинхронный генератор всегда потребляет намагничивающий ток значительной силы, поэтому для его работы необходим источник реактивной мощности (конденсаторы), зависящий от активно-индуктивного характера нагрузки; ненадежность работы в экстремальных условиях; возбуждение асинхронного генератора зависит от случайных факторов и происходит, как правило, при скорости превышающей или равной синхронной; зависимость выходного напряжения и частоты тока от устойчивости работы двигателя и т.д.
Устройство генератора
Основными частями любого генератора являются: система магнитов (или, чаще всего, электромагнитов), создающих магнитное поле, и система проводников, пересекающих это магнитное поле. При пропускании магнитного поля через катушку магнитный поток принудит свободные электроны сместиться на концы проводника. Подобное смещение отрицательно заряженных частиц становится источником возникновения электродвижущей силы — ЭДС (напряжение). В результате у генератора при вращении его оси идёт постоянное воздействие магнитного потока на обмотки, на которых и возникает ЭДС.
Составные части генератора:
- коллектор,
- щетки,
- магнитные полюса,
- витки,
- вал,
- якорь.
Принцип действия генератора
Принцип действия генератора основан на явлении электромагнитной индукции, когда в проводнике, двигающемся в магнитном поле и пересекающем его магнитные силовые линии, индуктируется ЭДС. Следовательно, такой проводник можно использовать как источник электрической энергии.
Виды генераторов
- электрогенераторы,
- бензогенераторы,
- дизельгенераторы,
- инверторные генераторы.
Применение
Генераторы используются во многих сферах жизнедеятельности и производства, при различных условиях. Бензогенераторы незаменимы в случае отключения электричества в небольших загородных домах и дачах. Кроме того, их удобно применять в тех местах, где нет электроэнергии (отдаленные районы, горы, леса). Дизельные генераторы применяется в качестве основного или резервного источника электропитания. Инверторные генераторы незаменимы как источник дополнительного питания для электронного оборудования. Такие электростанции исспользуются организациями, использующими различную электронную технику.
Что такое генераторная установка? Какие бывают генераторы? Принцип работы, характерные особенности и классификация электрогенераторов
Генераторная установка представляет собой устройство для генерации электроэнергии, которое используется для обеспечения аварийного, резервного или автономного питания.
Генераторная установка представляет собой устройство для генерации электроэнергии, которое используется для обеспечения аварийного, резервного или автономного питания. Область применения генераторных установок определяется рядом технико-эксплуатационных характеристик, например генераторы с небольшой мощностью обычно используются в быту, а более мощные применяют на производстве.
Особенности (устройство) конструкции генераторов
Независимо от конкретного типа, генераторная установка состоит из двух базовых компонентов — двигателя и альтернатора. Двигатель путем сжигания топлива вырабатывает механическую энергию, а альтернатор превращает ее в электрическую.
Генераторы постоянного тока. Конструкции двигателей данного типа включает в себя следующие основные элементы: статор, ротор и обмотка. Основным отличием от генераторов переменного тока является наличие особого полукольца, которое позволяет направлять ток в одном единственном направлении.
Генераторы переменного тока имеют практически идентичную конструкцию, однако ротор в таких двигателях вращается гораздо быстрее, ток меняет направление движения от фазы к нулю и обратно около 100 раз в секунду. Такие генераторы имеют меньшую мощность чем генераторы постоянного тока.
Типы двигателей:
- Дизельные. Этот тип двигателей чаще всего используется на производстве. Отличительной особенностью дизельных двигателей является длительным жизненным циклом и достаточно простым техническим обслуживанием.
- Бензиновые. Данный тип отличается невысокой мощностью (20 — 30 кВт). Также бензиновые генераторы не рассчитаны на длительную непрерывную работу, однако они имеют хорошие технические характеристики и относительно низкую цену, поэтому широко применяются в быту.
- Газовые. Газовые генераторы необходимо подключать к магистральному газопроводу, что существенно осложняет установку, кроме того, к недостаткам такого оборудования можно отнести высокую стоимость и неэкономичность в случае использования сниженного газа. Несмотря на все недостатки, этот тип генераторов обладает хорошими техническими характеристиками.
Основные составляющие бензиновых, газовых и дизельных генераторов:
- Система охлаждения. В процессе работы генераторной установкой выделяется большой количество тепла, нарушение теплообмена может привести к перегреву. Повышенная температура негативно сказывается на состоянии оборудования и качестве его эксплуатации. Для предотвращения перегревания оборудование оснащается системами воздушного или жидкостного охлаждения. Как правило, воздушное охлаждение используется для маломощных бытовых генераторов, а жидкостное охлаждение применяется в более мощных профессиональных установках.
- Система подачи топлива. Основным узлом топливной системы любого генератора является топливный бак, также в ее состав входят такие элементы как фильтры, топливный насос и трубопроводы. По умолчанию генераторы оснащены встроенным топливным баком, запас топлива которого обеспечивает от 6 до 8 часов непрерывной работы. Вычисление продолжительности работы, как правило, производится из расчета два литра в час. В случае необходимости увеличения периода работы двигателя существует возможность установки дополнительного съемного топливного бака.
- Пусковая система. Различается три основных типа запуска: автоматическая, электрическая и ручная. Ручное переключение подачи электричества в двигатель происходит либо за счет ручного стартера, либо с помощью специального шнура. Такой тип запуска реализован на генераторных установках бытового класса, обладающих малой мощностью. Использование электростартеров заметно облегчает запуск силовой станции, так как не приходится прикладывать физических усилий, включение происходит за счет нажатия кнопки или поворота ключа. Для оперативного восстановления подачи электроэнергии генераторы оснащают специальным блоком автозапуска, который осуществляет постоянный мониторинг электросети и в случае сбоев провоцирует запуск резервных источников.
- Исполнение. Кожух генераторной установки представляет собой особый защитный корпус, обеспечивающие базовые функции защиты от влаги и пыли, и позволяющий существенно снизить уровень шума, производимого генератором. Для более высокой степени защиты используются контейнеры. По назначению можно выделить два основных типа контейнеров: низкотемпературный контейнер, призванный обеспечивать дополнительное охлаждение и гидроизоляцию станции и звукоизоляционный, позволяющий существенно снизить шум от работы установки. Оба кожуха также обеспечивают базовую функцию защиты от внешних факторов. В кожух обычно помещается профессиональное стационарное оборудование, в то время как, портативные установки обычно размещаются на платформе или раме, которая представляет собой жесткую металлическую конструкцию.
Принцип работы электростанции
Электростанция, в свою очередь, представляет собой совокупность силовых установок (генераторов), аппаратуры и оборудования, функционирующего по принципу электромагнитной индукции. Напряжение прямо пропорционально скорости изменения магнитного потока. Таким образом, для получения электричества требуется магнитное поле и катушка для снятия переменного напряжения.
Вне зависимости от типа двигателя принцип работы генераторных установок можно описать следующим образом: