Enfasegenerator - Single-phase generator
Enfaset generator (også kendt som enfaset generator ) er en vekselstrøm elektrisk generator , der frembringer en enkelt, kontinuert vekselspænding. Enfasegeneratorer kan bruges til at generere strøm i enfasede elektriske kraftsystemer . Imidlertid bruges polyfase-generatorer generelt til at levere strøm i trefasede distributionssystem , og strømmen konverteres til enfase nær enfasebelastningerne i stedet. Derfor findes enfasegeneratorer i applikationer, der oftest bruges, når de belastninger, der drives, er relativt lette og ikke er forbundet til en trefaset distribution, for eksempel bærbare motorgeneratorer. Større enfasegeneratorer bruges også i specielle applikationer, såsom enfaset trækkraft til jernbanelektrificeringssystemer .
Indhold
Design
Roterende armatur
Konstruktionen af roterende ankergeneratorer er at have ankerdelen på en rotor og den magnetiske feltdel på stator . Et grundlæggende design, kaldet elementær generator , er at have en rektangulær sløjfe-anker til at skære kraftlinier mellem nord- og sydpolerne. Ved at skære kraftlinier gennem rotation producerer det elektrisk strøm. Strømmen sendes ud af generatorenheden gennem to sæt slipringe og børster , hvoraf den ene bruges til hver ende af ankeret. I dette topolede design, når ankeret drejer en omdrejning, genererer det en cyklus med vekselstrøm med en fase . For at generere en vekselstrømsudgang roteres ankeret med en konstant hastighed med antallet af rotationer pr. Sekund for at matche den ønskede frekvens (i hertz ) af vekselstrømsudgangen.
Armatur ved 0 grader.
Armatur ved 90 grader.
Armatur ved 180 grader.
Armatur ved 270 grader.
Armatur ved 360 grader.
Forholdet mellem anker rotation og AC output kan ses i denne serie af billeder. På grund af ankerets cirkulære bevægelse mod de lige kraftlinjer, vil et variabelt antal kraftlinier blive skåret selv med en konstant hastighed af bevægelsen. Ved nul grader skærer ankerets rektangulære arm ikke nogen kraftlinjer, hvilket giver nulspændingsudgang. Idet ankerarmen roterer med konstant hastighed mod 90 ° -stilling, skæres flere linjer. Kraftlinierne skæres højst, når ankeret er i 90 ° -stilling, hvilket giver mest strøm i en retning. Når det drejer mod 180 ° positionen, skæres et mindre antal kraftledninger, hvilket giver mindre spænding, indtil det igen bliver nul i 180 ° positionen. Spændingen begynder at stige igen, når ankeret leder til den modsatte pol i 270 ° -positionen. Mod denne position genereres strømmen i den modsatte retning, hvilket giver den maksimale spænding på den modsatte side. Spændingen falder igen, når den afslutter den fulde rotation. I en rotation produceres vekselstrømsudgangen med en komplet cyklus som repræsenteret i sinusbølgen .
Flere poler kan også føjes til enfasegenerator for at give en rotation mulighed for at producere mere end en cyklus med vekselstrømsudgang. I et eksempel til venstre konfigureres statordelen til at have 4 poler, der er lige fordelt. En nordpol støder op til de to sydpoler. Formen på ankeret ved rotordelen ændres også. Det er ikke længere et fladt rektangel. Armen er bøjet 90 grader. Dette gør det muligt for den ene side af ankeret at interagere med en nordpol, mens den anden side interagerer med en sydpol på lignende måde som den topolede konfiguration. Strømmen leveres stadig ud gennem de to sæt slipringe og børster på samme måde som i den to-polede konfiguration. Forskellen er, at en cyklus med AC-udgang kan afsluttes efter en 180 graders rotation af ankeret. I en rotation er vekselstrømsudgangen to cyklusser. Dette øger frekvensen af generatorens output. Flere poler kan tilføjes for at opnå højere frekvens ved den samme rotationshastighed for generatoren eller samme frekvens af output ved den lavere rotationshastighed for generatoren afhængigt af anvendelserne.
Dette design giver os også mulighed for at øge udgangsspændingen ved at ændre ankerformen. Vi kan tilføje flere rektangulære løkker til ankeret, som det ses på billedet til højre. De ekstra løkker ved ankerarmen er forbundet i serie, som faktisk er yderligere viklinger af den samme ledertråd for at danne en spole i rektangulær form. I dette eksempel er der 4 viklinger i spolen. Da formene på alle viklinger er ens, vil mængden af kraftlinier blive skåret i samme mængde i samme retning på samme tid i alle viklinger. Dette skaber i fase AC output for disse 4 viklinger. Som et resultat øges udgangsspændingen 4 gange som vist i sinusbølgen i diagrammet.
Revolverende felt
Designet af roterende feltgeneratorer er at have ankerdelen på stator og magnetfeltdelen på rotoren. Et højre design af enfasegenerator med roterende felt vises til højre. Der er to magnetiske poler, nord og syd, fastgjort til en rotor og to spoler, der er forbundet i serie og ligeligt placeret på stator. Viklingen af de to spoler er i omvendt retning for at have strømmen til at flyde i samme retning, fordi de to spoler altid interagerer med modsatte polariteter. Da poler og spoler er lige fordelt og placeringerne af polerne matcher placeringerne af spolerne, skæres de magnetiske kraftlinier i samme mængde i en hvilken som helst grad af rotoren. Som et resultat har de spændinger, der induceres til alle viklinger, den samme værdi på ethvert givet tidspunkt. Spændingerne fra begge spoler er " i fase " til hinanden. Derfor er den samlede udgangsspænding to gange den spænding, der induceres i hver vikling. I figuren producerer generatoren i den position, hvor pol nummer 1 og spole nummer 1 mødes, den højeste udgangsspænding i en retning. Når rotoren drejer 180 grader, skiftes udgangsspændingen for at producere den højeste spænding i den anden retning. Frekvensen af vekselstrømsudgangen i dette tilfælde er lig med antallet af rotationer i rotoren pr. Sekund.
Dette design kan også give os mulighed for at øge outputfrekvensen ved at tilføje flere poler. I dette eksempel til højre har vi 4 spoler, der er forbundet i serie på statoren, og feltrotoren har 4 poler. Både spoler og poler er lige fordelt på hinanden. Hver pol har modsat polaritet end sine naboer, der er vinklet i 90 grader. Hver spole har også modsat vikling til sine naboer. Denne konfiguration tillader, at kraftlinierne ved 4 poler skæres med 4 spoler i samme mængde på et givet tidspunkt. Ved hver 90-graders rotation skiftes spændingens udgangspolaritet fra den ene retning til den anden. Derfor er der 4 cyklusser af vekselstrømsudgangen i en rotation. Da de 4 spoler er kablet i serie, og deres udgang er "i fase", vil vekselstrømsudgangen fra denne enfasegenerator have 4 gange spændingen for den, der genereres af hver enkelt spole.
En fordel ved designen af det roterende felt er, at hvis polerne er permanente magneter , er det ikke nødvendigt at bruge nogen glidering og børste til at levere elektricitet ud af generatoren, da spolerne er stationære og kan ledes direkte fra generatoren til eksterne belastninger.
Små generatorer
Enfasegeneratorer, som folk kender, er normalt små. Ansøgningerne er til standby-generatorer i tilfælde af, at hovedforsyningen afbrydes og til levering af midlertidig strøm på byggepladser.
En anden anvendelse er i små vindteknologi . Selvom de fleste vindmøller bruger trefasegeneratorer, findes enfasegeneratorer i nogle af de små vindmøllemodeller med nominel effektudgang på op til 55 kW. Enkelfasemodellerne fås i vindmøller med lodret akse (VAWT) og vindmøller med vandret akse (HAWT).
Elværk
I de meget tidlige dage med elproduktion havde generatorerne ved kraftværker været enfaset vekselstrøm eller jævnstrøm . Retningen for kraftindustrien ændrede sig i 1895, da mere effektive polyfase-generatorer blev med succes implementeret på Adams Vandkraftværksanlæg, som var det første storskala polyfase kraftværk . Nyere kraftværker begyndte at indføre polyfasesystemet. I 1900'erne startede mange jernbaner elektrificering af deres linjer. I løbet af denne tid var det enfaset vekselstrømsanlæg, der blev brugt i vid udstrækning til deres trækkraftnet ved siden af jævnstrømssystemet. De tidlige generatorer til disse enfaset trækkraftnetværk er enfasegeneratorer. Selv med nyere trefasede motorer, der blev introduceret til nogle moderne tog, overlever enfasetransmissionen til trækkraftnet deres tid og er stadig i brug i mange jernbaner i dag. Imidlertid har mange trækkraftværker erstattet deres generatorer over tid for at bruge trefasegeneratorer og konverteret til enfase til transmission.
Hydro
I den tidlige udvikling af vandkraft spillede enfasegeneratorer en vigtig rolle i at demonstrere fordelene ved vekselstrøm. I 1891 blev der installeret en 3.000 volt og 133 Hz enfasegenerator på 100 hestekræfter på Ames Hydroelectric Generating Plant, som var båndforbundet med Pelton-vandhjulet. Strømmen blev overført gennem 4,2 kilometer (2,6 mi) kabler for at drive en identisk motor ved fabrikken. Anlægget var det første, der genererede vekselstrømskraft til industriel anvendelse, og det var en demonstration af effektiviteten i AC-transmission. Dette var et præcedens for større for meget større anlæg såsom Edward Dean Adams kraftværk i Niagara Falls, New York i 1895. De større anlæg blev imidlertid betjent ved hjælp af polyfase-generatorer for større effektivitet. Det overlod anvendelserne til enfaset hydroelektricitetsgenerering til specielle tilfælde såsom i lette belastninger.
Et eksempel på anvendelse af enfase i et specielt tilfælde blev implementeret i 1902 ved St. Louis kommunale elektriske kraftværk. En 20 kW enfasegenerator blev direkte forbundet til et Pelton-vandhjul til at generere elektricitet nok til at tænde let belastning. Dette var en tidlig demonstration af vand i ledningen for at opsamle energi fra vandstrømmen i den offentlige vandledning . Energien til vandforsyningen i dette tilfælde blev ikke skabt af tyngdekraften, men vandet blev pumpet af en større dampmotor på et vandpumpestation for at levere vand til kunderne. Beslutningen om at få vand pumpet af en større motor og derefter tage noget af energien fra vandstrøm til strøm til en mindre generator ved hjælp af vandhjul var baseret på omkostningerne. På det tidspunkt var dampmotorer ikke effektive og omkostningseffektive for et 20 kW-system. Derfor installerede de en dampvandspumpe til at have nok energi til at opretholde vandtryk for kunden og til at køre en lille generator på samme tid.
Den vigtigste anvendelse af enfaset hydroelektricitetsgenerering i dag er at levere strøm til trækkraftnet til jernbaner. Mange elektriske transmissionsnet til jernbaner, især i Tyskland, er afhængige af enfasegenerering og transmission, der stadig bruges i dag. Et vigtigt kraftværk er Walchensee vandkraftværk i Bayern . Stationen tager vand fra den hævede Lake Walchensee for at køre otte turbiner, der driver generatorerne. Fire af disse er trefasegeneratorer, der leverer strømnettet . De øvrige fire er enfasegeneratorer, der er forbundet til Pelton-turbiner, der har en kapacitet på 52 MW til at levere den tyske 15 kV AC-jernbaneelektrificering .
Lignende enfase-hydroelektricitetsgenerationer bruges også i en anden variant af jernbaneelektrificeringssystem i USA. Et kraftværk ved Safe Harbor Dam i Pennsylvania giver strømproduktion til både offentlige forsyningsselskaber og til Amtrak jernbane. To ud af dets 14 turbiner er forbundet med to enfasegeneratorer til at levere Amtrak's 25 Hz trækkraft . De to turbiner er af Kaplan- typen med 5 knive, der er vurderet til 42.500 hestekræfter.
Damp
I de første år blev dampmotorer brugt som primære bevægelser for generatorer. En installation i St. Louis kommunale elektriske kraftværk i 1900-tallet var et eksempel på brug af dampmaskiner med enfasegeneratorer. St. Louis-anlægget brugte en sammensat dampmotor til at drive en 100 kW enfasegenerator, der producerede strøm med en nominel effekt på 1.150 volt.
Dampmaskinerne blev også brugt i det 20. århundrede i kraftværker til trækkraftnet, der havde enfaset strømfordeling til specifikke jernbaner. Et specielt sæt enfasegeneratorer med dampturbiner på Waterside Generation Station i New York City i 1938 var et eksempel på en sådan generation og distributionssystemer. Enfasegeneratorerne blev til sidst pensioneret i slutningen af 1970'erne på grund af bekymring over en turbinefejl i en anden station. Generatorerne blev erstattet af to transformatorer for at reducere fra en anden trefaset strømkilde til eksisterende enfaset ledningskraft . Til sidst blev transformerne erstattet af to cycloconverter i fast tilstand i stedet.
Atomisk
Normalt atomkraftværker anvendes som basisbelastningsvilkår stationer med meget høj kapacitet til at levere strøm til nettene. Neckarwestheim I i Neckarwestheim er et unikt atomkraftværk, idet det er udstyret med højkapacitets enfasegeneratorer til at forsyne Deutsche Bahn- jernbanen med specifik vekselstrøm med en frekvens på 16 2/3 Hz. Den reaktor, der er under tryk, transporterer termisk energi til to turbiner og generatorer, der er klassificeret til 187 MW og 152 MW.