Генератор змінного струму
Генератор змінного струму — система з нерухомого статора (складається зі сталевого осердя та обмотки) і ротора (електромагніт із сталевим осердям), який обертається всередині нього.
Генератор змінного струму, є електричним генератором, який перетворює механічну енергію (вітру, пари під тиском, рухомої води, двигуна внутрішнього згоряння, електродвигуна, сили людини) на електричну, у вигляді змінного струму.
Крізь два контактних кільця, до яких притиснуто ковзні контакти-щітки, проводиться електричний струм. Електромагніт створює магнітне поле яке обертається з кутовою швидкістю обертання ротора, та збуджує в обмотці статора, електрорушійну силу (ЕРС).
Щоб ротор обертався і створював магнітне поле, яке викликає у статорі ЕРС індукції, йому треба надавати енергію. В електростанціях, ротор може обертатися за допомогою: стисненої пари (ТЕС та АЕС), рухомої води (ГЕС, Припливні електростанції) чи сили вітру (Вітрові електростанції).
Генератори на електростанціях, що обертаються паровими турбінами, називаються турбогенераторами, керовані гідротурбінами — гідрогенераторами а приведені вітром — вітрогенераторами. Великі трифазні генератори змінного струму частотою 50 або 60 (для США, Канади, Японії та деяких інших країн) Гц, на електростанціях виробляють більшу частину електроенергії у світі, яка розподіляється електричними мережами.
Для живлення бортової мережі на сучасних (станом на початок 2000 років) літальних апаратах, найчастіше використовуються генератори змінного струму частотою 400 герц.
Історія
Генератори змінного струму простої будови, були відомі ще з відкриття електромагнітної індукції у 1830-х роках. Обертові генератори, природно, виробляли змінний струм, але, оскільки від нього на той час, було мало користі, він зазвичай, перетворювався на постійний струм завдяки використанню колектора. Перші машини були розроблені піонерами - винахідниками, такими як Майкл Фарадей та Іполіт Піксі. Фарадей винайшов «обертовий прямокутник», робота якого була гетерополярною — кожен активний провідник проходив послідовно крізь області, де магнітне поле перебувало у протилежних напрямках. Лорд Кельвін і Себастьян Ферранті також, розробили ранні генератори, які виробляли частоти від 100 до 300 Гц.
Наприкінці 1870-х років, з'явилися перші великі електричні системи з центральними станціями генерації, для живлення дугових ламп, використовуваних задля освітлення цілих вулиць, фабричних дворів або внутрішніх складів. Деякі з них, такі як лампи Яблочкова, введені 1878 року, краще працювали на змінному струмі, тож розвиток цих ранніх систем
вироблення (генерації) змінного струму, став вперше супроводжуватися використанням слова «генератор змінного струму». Подача напруги потрібного рівня, від генераторних станцій у цих перших системах, залежала від спритності інженера. 1883 року Ganz Works винайшов генератор сталої напруги, який міг би виробляти задану вихідну напругу незалежно від значення дійсного електричного навантаження.
Впровадження трансформаторів у середині 1880-х років, призвело до ширшого використання змінного струму та застосування генераторів, потрібних для його виробництва. Після 1891 року, було запроваджено багатофазні генератори для подачі струмів з декількома різними фазами. Пізніше, були розроблені генератори змінного струму для різних частот — від шістнадцяти до ста герц, для використання їх з дуговим освітленням, лампами розжарення й електродвигунами. Спеціалізовані радіочастотні генератори, такі як генератор Alexanderson, були розроблені як довгохвильові радіопередавачі під час Першої світової війни і діяли на декількох високошвидкісних радіотелефонних станціях перш ніж їх замінили передавачі з вакуумною трубкою.
Спосіб дії
У провіднику, котрий рухається відносно магнітного поля, розвивається електрорушійна сила (ЕРС) (Закон Фарадея). Ця ЕРС, змінює полярність у разі руху під протилежними магнітними полюсами (північ - південь). Як правило, обертовий магніт,
званий ротором, повертається у межах нерухомого набору провідників (обмоток), намотаних у котушках на сталевому осерді, званому статором. Магнітне поле перетинає провідники, та створює індуковану ЕРС (електрорушійну силу), оскільки механічний привод, змушує ротор обертатися.
Обертове магнітне поле, виробляє (індукує) змінну напругу в обмотках статора. Оскільки струми у цих обмотках, змінюють напрямок відповідно до положення ротора, генератор називається синхронним.
Магнітне поле ротора може бути створено або постійними магнітами або електромагнітним полем котушок. В автомобільних генераторах використовується обмотка ротора, яка дозволяє підтримувати рівень напруги, що виробляється генератором, шляхом зміни струму в обмотці збудження ротора. Машини з постійними магнітами, не мають втрат через струм намагнічування у роторі, але обмежені за розміром, через вартість і вагу матеріалу магніту. Оскільки постійне магнітне поле стале, напруга на виході, змінюється безпосередньо зі швидкістю обертання генератора. Безщіткові генератори змінного струму, зазвичай більші, за ті, які використовуються в автомобілях.
Автоматичний пристрій контролю напруги, керує потоком поля для підтримання постійної вихідної напруги. Якщо, через збільшення споживання виробленої електроенергії, вихідна напруга від нерухомих обмоток якоря падає, в обертові котушки магнітного поля, від регулятора напруги (VR), подається більший струм. Це підсилює магнітне поле навколо котушок ротора, що викликає вищу напругу в обмотках якоря. Таким чином, вихідна напруга повертається до початкового значення.
Генератори, які використовуються на центральних електростанціях, також керуються польовим струмом (струмом збудження), щоби регулювати реактивну потужність і допомагати врівноважувати енергосистему від наслідків
короткочасних збоїв. Найчастіше, існує три набори обмоток статора, фізично зрушених так, що обертове магнітне поле, створює трифазний струм, зміщений на одну третину періоду один відносно одного.
Вихідна частота генератора залежить від кількості полюсів та кількості обертів. Швидкість, яка відповідає певній частоті, називається синхронною, для цієї частоти.
Статор збирається з окремих ізольованих один від одного, сталевих листів. На внутрішній поверхні статора є пази, куди вкладаються дроти обмотки статора генератора.
Ротор виготовляється, як правило, зі суцільної сталі, а полюсні наконечники магнітних полюсів ротора, збираються з листової шихтованої сталі. Під час обертання, між статором і полюсними наконечниками ротора, є найменший зазор, для створення найбільш можливої магнітної індукції. Геометрична форма полюсних наконечників підбирається такою, щоби вироблений генератором струм, був якнайбільше близький до синусоїдального.
Класифікація
Генератори можуть бути класифіковані за: способом збудження, кількістю фаз, типом обертання, видом охолодження й їх застосуванням.
За збудженням
Існує два основних способи створення магнітного поля, яке застосовується у генераторах: з використанням постійних магнітів, які створюють власне стале магнітне поле, або за допомогою польових котушок. Генератори, де застосовують постійні магніти, називаються магнето.
В інших генераторах, намотані польові котушки, утворюють електромагніт для створення обертового магнітного поля.
Пряме збудження генератором постійного струму
Цей спосіб збудження, засновано на застосуванні меншого генератора постійного струму (DC), закріпленого на тому ж валу з основним генератором змінного струму. Генератор постійного струму, створює невелику кількість електрики, достатню для збудження польових котушок приєднаного генератора змінного струму, задля вироблення електроенергії. Одним із представників цієї системи, є вид генератора змінного струму, який використовує постійний струм від електричного акумулятора для початкового збудження під час запуску, після чого генератор переходить на самозбудження.
Трансформація і випрямлення
Цей спосіб засновано на залишковому магнетизмі, збереженому у сталевому осерді, для створення слабкого магнітного поля, що дозволило-б викликати невелику напругу. Ця напруга використовується для збудження котушок магнітного поля, генератора змінного струму, задля вироблення більшої напруги під час його нарощування. Після початкового наростання напруги змінного струму, поле створюється випрямленою напругою від власне, генератора.
Безщіткові генератори змінного струму
Безщітковий генератор змінного струму, складається з двох генераторів, побудованих на одному валу. Менші
безщіткові генератори, можуть виглядати як один пристрій, але на великих версіях, дві частини легко визначаються. Більшим з двох складників, є головний генератор змінного струму, а менший — збудник. Збудник має нерухомі польові котушки й обертовий статор (силові котушки). Головний генератор змінного струму, має протилежну будову з обертовим полем і нерухомим статором. Мостовий випрямляч, званий обертовим випрямним вузлом, встановлено на роторі. Тут не використовуються ні щітки, ні кільця ковзання, що зменшує кількість зношуваних частин. Головний генератор має обертове магнітне поле, як описано вище, і нерухомий статор (обмотки вироблення електроенергії).
Зміна сили струму крізь котушки збудження, змінює трифазну напругу на виході збудника. Цей струм, випрямляється за допомогою обертового випрямного вузла, встановленого на роторі, а підсумкова постійна напруга, впливає на обертове магнітне поле основного генератора, отже, й на вихідну напругу генератора. Підсумком всього цього є те, що невеликий струм збудника, побічно впливає на вихідну напругу головного генератора.
За кількістю фаз
Іншим способом класифікації генераторів, є кількість фаз їх вихідної напруги. Вихід може бути однофазним або багатофазним. Найчастіше, зустрічаються трифазні генератори, але багатофазні генератори можуть бути: двофазними, шестифазними і більше.
Види охолодження
Більшість генераторів змінного струму, примусово охолоджуються навколишнім повітрям крізь кожух, приєднаним вентилятором на тому ж валу, котрий приводить у дію генератор. У таких транспортних засобах, як транзитні автобуси, велике навантаження на електричну систему, може потребувати більшої генераторної установки з мастильним охолодженням. У морських застосуваннях, крім того, використовується водяне охолодження. Дорогі автомобілі, також можуть мати охолоджувальні водою генератори для забезпечення високих вимог до електричної системи; додаткова вартість придбання та обслуговування, не є продажним зобов'язанням у цьому розділі ринку.
Окремі застосування
Генератори дизельних електровозів
У більш пізніх дизельних електровозах, первинний дизельний двигун, приводить генератор змінного струму, який забезпечує електроенергією тягові двигуни (змінного або постійного струму).
Тяговий генератор, зазвичай має вбудовані кремнієві діодні випрямлячі для живлення тягових двигунів з постійною напругою до 1200 вольт (пряме використання постійного струму), або загальної шини інвертора (тяга змінного струму, коли постійний струм, спочатку перетворюється, до трифазного змінного).
Перші дизельні електровози і багато з тих, які все ще знаходяться в роботі, використовують генератори постійного струму, оскільки кремнієвою силовою електронікою, легше керувати швидкістю тягових двигунів постійного струму (для керування швидкістю обертання двигуна змінного струму, треба використовувати перетворювачі частоти — інвертори). У більшості з них, було два генератори: один — задля вироблення струму збудження для більшого, основного (силового) генератора.
Морські генератори
Морські генератори, які використовуються на яхтах, подібні до автомобільних генераторів з відповідним пристосуванням до солоної води. Морські генератори повинні бути вибухозахищеними, щоби іскріння щіткових контактів, не запалило вибухонебезпечні газові суміші у приміщенні машинного відділення. Вони можуть бути 12 або 24 - вольтовими, залежно від типу встановленої системи. Великі морські дизелі, можуть мати два або більше генераторів змінного струму, щоби впоратися з великим споживанням електроенергії, сучасною яхтою. В одиничних колах генератора, потужність може бути розподілено між стартовою батареєю двигуна, та бортовою батареєю (або батареями) з використанням розрядного діода (ізолятор батареї) або реле, чутливого до напруги.
Див. також
Посилання
1.http://riowang.com/2015/09/abraham-ganz-at-hindukush.html
2.https://books.google.com.ua/books?id=jdk7AAAAMAAJ&redir_esc=y
3.https://www.worldstandards.eu/electricity/plug-voltage-by-country/
6.http://ethw.org/Milestones:Ames_Hydroelectric_Generating_Plant,_1891