Generator - Alternator

Generatorer fremstillet i 1909 af Ganz Works i kraftproduktionshallen i en russisk vandkraftværk (fotografi af Prokudin-Gorsky , 1911).

En generator er en elektrisk generator, der omdanner mekanisk energi til elektrisk energi i form af vekselstrøm . Af hensyn til omkostninger og enkelhed bruger de fleste generatorer et roterende magnetfelt med en stationær anker . Lejlighedsvis bruges en lineær generator eller en roterende anker med et stationært magnetfelt. I princippet kan enhver AC el-generator kan kaldes en vekselstrømsgenerator, men sædvanligvis udtrykket henviser til små roterende maskiner drevet af bilindustrien og andre forbrændingsmotorer.

En generator, der bruger en permanent magnet til sit magnetfelt, kaldes en magneto . Generatorer i kraftværker, der drives af dampturbiner , kaldes turbo-generatorer . Store 50 eller 60 Hz trefasede generatorer i kraftværker genererer det meste af verdens elektriske strøm, der distribueres af elektriske net .

Historie

I det, der betragtes som den første industrielle brug af vekselstrøm i 1891, stiller arbejdere med en Westinghouse -generator på Ames vandkraftværksanlæg . Denne maskine blev brugt som en generator, der producerede 3.000 volt, 133-hertz, enfaset vekselstrøm, og en identisk maskine, der var 4,8 km væk, blev brugt som vekselstrømsmotor.

Vekselstrømgenereringssystemer var kendt i enkle former fra opdagelsen af magnetisk induktion af elektrisk strøm i 1830'erne. Roterende generatorer producerede naturligvis vekselstrøm, men da der ikke var meget brug for det, blev det normalt konverteret til jævnstrøm via tilsætning af en kommutator i generatoren. De tidlige maskiner blev udviklet af pionerer som Michael Faraday og Hippolyte Pixii . Faraday udviklede det "roterende rektangel", hvis operation var heteropolær - hver aktiv leder passerede successivt gennem områder, hvor magnetfeltet var i modsatte retninger. Lord Kelvin og Sebastian Ferranti udviklede også tidlige generatorer, der producerede frekvenser mellem 100 og 300 Hz .

I slutningen af ​​1870'erne blev der introduceret de første store elektriske systemer med centrale generationsstationer til at drive lysbue lamper , der bruges til at tænde hele gader, fabriksværfter eller det indre af store lagre. Nogle, såsom Yablochkov buelamper, der blev introduceret i 1878, kørte bedre på vekselstrøm, og udviklingen af ​​disse tidlige vekselstrømsgenererende systemer blev ledsaget af den første brug af ordet "generator". Tilførsel af den korrekte mængde spænding fra produktionsstationer i disse tidlige systemer blev overladt til ingeniørens dygtighed i at "køre på lasten". I 1883 opfandt Ganz Works konstantspændingsgeneratoren, der kunne producere en angivet udgangsspænding, uanset værdien af ​​den faktiske belastning. Indførelsen af transformere i midten af ​​1880'erne førte til den udbredte brug af vekselstrøm og brug af generatorer, der var nødvendige for at producere den. Efter 1891 blev polyfase -generatorer introduceret til at levere strømme fra flere forskellige faser. Senere blev generatorer designet til forskellige vekselstrømsfrekvenser mellem seksten og omkring hundrede hertz, til brug med lysbue, glødelampe og elektriske motorer. Specialiserede radiofrekvensgeneratorer som Alexanderson -generatoren blev udviklet som langbølgede radiosendere omkring 1. verdenskrig og blev brugt i et par trådløse telegrafistationer med høj effekt , før vakuumrørsendere udskiftede dem.

Driftsprincip

Diagram over en simpel generator med en roterende magnetisk kerne (rotor) og stationær ledning (stator), der også viser strømmen induceret i statoren af ​​rotorens roterende magnetfelt.

En leder, der bevæger sig i forhold til et magnetfelt, udvikler en elektromotorisk kraft (EMF) i den ( Faradays lov ). Denne EMF vender sin polaritet, når den bevæger sig under magnetiske poler med modsat polaritet. Typisk drejer en roterende magnet, kaldet rotoren inden for et stationært sæt ledere, der er viklet i spoler på en jernkerne, kaldet statoren . Feltet skærer på tværs af lederne og genererer en induceret EMF (elektromotorisk kraft), da den mekaniske indgang får rotoren til at dreje.

Det roterende magnetfelt fremkalder en AC -spænding i statorviklingerne. Da strømme i statorviklingerne varierer i takt med rotorens position, er en generator en synkron generator.

Rotorens magnetfelt kan frembringes af permanente magneter eller af en feltspoleelektromagnet. Bilgeneratorer anvender en rotorvikling, som tillader styring af generatorens genererede spænding ved at variere strømmen i rotorfeltviklingen. Permanente magnetmaskiner undgår tab på grund af magnetiseringsstrøm i rotoren, men er begrænset i størrelse på grund af magnetmaterialets omkostninger. Da det permanente magnetfelt er konstant, varierer terminalspændingen direkte med generatorens hastighed. Børsteløse vekselstrømsgeneratorer er normalt større end dem, der bruges i bilapplikationer.

En automatisk spændingsstyringsenhed styrer feltstrømmen for at holde udgangsspændingen konstant. Hvis udgangsspændingen fra de stationære ankerspoler falder på grund af en stigning i efterspørgslen, føres mere strøm ind i de roterende feltspoler gennem spændingsregulatoren (VR). Dette øger magnetfeltet omkring feltspolerne, hvilket inducerer en større spænding i ankerspolerne. Således bringes udgangsspændingen tilbage til dens oprindelige værdi.

Generatorer, der bruges i centrale kraftværker, styrer også feltstrømmen for at regulere reaktiv effekt og for at hjælpe med at stabilisere elsystemet mod virkningerne af øjeblikkelige fejl . Ofte er der tre sæt statorviklinger, fysisk forskudt, så det roterende magnetfelt producerer en trefasestrøm , forskudt med en tredjedel af en periode i forhold til hinanden.

Synkrone hastigheder

En cyklus med vekselstrøm produceres hver gang et par feltpoler passerer over et punkt på den stationære vikling. Forholdet mellem hastighed og frekvens er , hvor er frekvensen i Hz (cyklusser pr. Sekund). er antallet af poler (2, 4, 6,…) og er rotationshastigheden i omdrejninger pr. minut (r/min). Meget gamle beskrivelser af vekselstrømssystemer giver undertiden frekvensen i form af vekslinger i minuttet, og tæller hver halvcyklus som en veksel ; så 12.000 veksler i minuttet svarer til 100 Hz.

Udgangen frekvens af en generator afhænger af antallet af poler og rotationshastigheden. Hastigheden svarende til en bestemt frekvens kaldes den synkrone hastighed for denne frekvens. Denne tabel giver nogle eksempler:

Polakker Rotationshastighed (r/min), hvilket giver ...
50 Hz 60 Hz 400 Hz
2 3.000 3.600 24.000
4 1.500 1.800 12.000
6 1.000 1.200 8.000
8 750 900 6.000
10 600 720 4.800
12 500 600 4.000
14 428,6 514.3 3.429
16 375 450 3.000
18 333,3 400 2.667
20 300 360 2.400
40 150 180 1.200

Klassifikationer

Generatorer kan klassificeres efter excitationsmetode, antal faser, rotationstype, afkølingsmetode og deres anvendelse.

Ved ophidselse

Der er to hovedmåder til at producere det magnetfelt, der bruges i generatorerne, ved at bruge permanente magneter, der skaber deres eget vedvarende magnetfelt eller ved hjælp af feltspoler . De generatorer, der bruger permanente magneter, kaldes specifikt magnetoer .

I andre generatorer danner sårfeltspoler en elektromagnet for at producere det roterende magnetfelt.

En enhed, der bruger permanente magneter til at producere vekselstrøm, kaldes en permanentmagnet -generator (PMA). En permanent magnetgenerator (PMG) kan producere enten vekselstrøm eller jævnstrøm, hvis den har en kommutator .

Direkte forbundet DC-generator (DC)

Denne excitationsmetode består af en mindre jævnstrømsgenerator (DC) fastgjort på den samme aksel med generatoren. Jævnstrømsgeneratoren genererer en lille mængde elektricitet lige nok til at ophidse feltspolerne i den tilsluttede generator til at generere elektricitet. En variation af dette system er en type generator, der anvender jævnstrøm fra et batteri til indledende excitation ved opstart, hvorefter generatoren bliver selv-spændt.

Transformation og berigtigelse

Denne metode afhænger af, at den resterende magnetisme tilbageholdes i jernkernen for at generere et svagt magnetfelt, hvilket muliggør en svag spænding. Denne spænding bruges til at ophidse feltspolerne til generatoren for at generere stærkere spænding som en del af dens opbygningsproces . Efter den indledende vekselstrømsspænding forsynes feltet med en ensrettet spænding fra generatoren.

Børsteløse generatorer

En børsteløs generator består af to generatorer, der er bygget ende-til-ende på en aksel. Indtil 1966 brugte generatorer børster med roterende felt. Med fremskridt inden for halvlederteknologi er børsteløse generatorer mulige. Mindre børsteløse generatorer kan ligne en enhed, men de to dele kan let identificeres på de store versioner. Den største af de to sektioner er hovedgeneratoren, og den mindre er excitatoren. Excitatoren har stationære feltspoler og en roterende anker (power coils). Hovedgeneratoren anvender den modsatte konfiguration med et roterende felt og stationær anker. En broens ensretter , kaldet den roterende ensretter, er monteret på rotoren. Der bruges hverken børster eller glideringe, hvilket reducerer antallet af sliddele. Hovedgeneratoren har et roterende felt som beskrevet ovenfor og en stationær anker (kraftproduktionsviklinger).

Varierende mængden af ​​strøm gennem de stationære exciterfeltspoler varierer 3-faset output fra excitatoren. Dette output korrigeres af en roterende ensretter, monteret på rotoren, og den resulterende DC forsyner det roterende felt på hovedgeneratoren og dermed generatoroutput. Resultatet af alt dette er, at en lille DC -exciterstrøm indirekte styrer hovedgeneratorens output.

Efter antal faser

En anden måde at klassificere generatorer er ved antallet af faser af deres udgangsspænding. Outputtet kan være enkeltfase eller polyfase. Trefasede generatorer er de mest almindelige, men flerfasede generatorer kan være tofasede, seksfasede eller mere.

Ved at rotere del

Den roterende del af generatorer kan være ankeret eller magnetfeltet. Den roterende ankertype har anker -såret på rotoren, hvor viklingen bevæger sig gennem et stationært magnetfelt. Den drejelige ankerstype bruges ikke ofte. Den roterende felttype har magnetfelt på rotoren for at rotere gennem en stationær ankervikling. Fordelen er, at rotorkredsløbet så bærer meget mindre effekt end ankerkredsløbet, hvilket gør slæberingeforbindelserne mindre og billigere; kun to kontakter er nødvendige for jævnstrømsrotoren, hvorimod en rotorvikling ofte har tre faser og flere sektioner, som hver især ville kræve en skridningsforbindelse. Den stationære anker kan vikles til ethvert bekvemt mellemspændingsniveau, op til titusinder af volt; fremstilling af skridningsforbindelser til mere end et par tusinde volt er dyrt og ubelejligt.

Afkølingsmetoder

Mange generatorer afkøles af omgivende luft, tvunget gennem kabinettet af en vedhæftet ventilator på den samme aksel, der driver generatoren. I køretøjer som transitbusser kan en stor efterspørgsel på det elektriske system kræve, at en stor generator oliekøles. I marine applikationer bruges vandkøling også. Dyre biler kan bruge vandkølede generatorer til at opfylde høje elektriske systemkrav.

Specifikke applikationer

Elektriske generatorer

De fleste kraftproduktionsanlæg bruger synkrone maskiner som deres generatorer. Tilslutning af disse generatorer til forsyningsnettet kræver, at synkroniseringsbetingelser er opfyldt.

Automotive generatorer

Generator monteret på en bilmotor med en serpentine remskive (rem ikke til stede.)

Generatorer bruges i moderne biler til at oplade batteriet og til at drive det elektriske system, når motoren kører.

Indtil 1960'erne brugte biler DC dynamo generatorer med kommutatorer . Med tilgængeligheden af ​​overkommelige siliciumdiode -ensrettere blev der i stedet brugt generatorer.

Diesel elektriske lokomotiver

I senere diesel elektriske lokomotiver og diesel elektrisk togsæt , det primus motor bliver en generator, der giver strøm til banemotorerne (AC eller DC).

Trækkraftgeneratoren indeholder normalt integrerede siliciumdiode -ensrettere for at give traktionsmotorerne op til 1.200 volt DC.

De første dieselelektriske lokomotiver, og mange af dem, der stadig er i brug, bruger jævnstrømsgeneratorer, da det før siliciumkraftelektronik var lettere at kontrollere hastigheden på jævnstrømsmotorer. De fleste af disse havde to generatorer: en til at generere excitationsstrømmen til en større hovedgenerator.

Eventuelt leverer generatoren også hovedstrøm (HEP) eller strøm til elektrisk togopvarmning . HEP -optionen kræver en konstant motorhastighed, typisk 900 r/min for en 480 V 60 Hz HEP -applikation, selv når lokomotivet ikke bevæger sig.

Marine generatorer

Marine generatorer, der bruges i lystbåde, ligner bilgeneratorer med passende tilpasninger til saltvandsmiljøet. Marine generatorer er designet til at være eksplosionssikre (tændingsbeskyttet), så børstegnistning ikke vil antænde eksplosive gasblandinger i et maskinrumsmiljø. De kan være 12 eller 24 volt afhængigt af den installerede systemtype. Større marine diesels kan have to eller flere generatorer til at klare den tunge elektriske efterspørgsel efter en moderne yacht. På enkelte generator kredsløb kan strømmen deles mellem motorens startbatteri og husholdnings- eller husbatteriet (eller batterierne) ved hjælp af en opladningsdiode ( batterisolator ) eller et spændingsfølsomt relæ. På grund af de høje omkostninger ved store husbatteribanker bruger marine -generatorer generelt eksterne regulatorer. Flerstegs regulatorer styrer feltstrømmen for at maksimere opladningseffektiviteten (tid til opladning) og batterilevetid. Flertrinsregulatorer kan programmeres til forskellige batterityper. To temperatursensorer kan tilføjes, en til batteriet til at justere ladningsspændingen og en over-temperatursensor på den faktiske generator for at beskytte den mod overophedning.

Radio generatorer

Højfrekvente generatorer af typen med variabel modvilje blev kommercielt påført radiotransmission i lavfrekvente radiobånd. Disse blev brugt til transmission af Morse -kode og eksperimentelt til transmission af stemme og musik. I Alexanderson -generatoren er både feltviklingen og ankerviklingen stationære, og strøm induceres i ankeret i kraft af rotorens ændrede magnetiske modvilje (som ikke har viklinger eller strømførende dele). Sådanne maskiner blev fremstillet til at producere radiofrekvensstrøm til radiotransmissioner, selvom effektiviteten var lav.

Se også

Referencer

eksterne links