Генераторы — виды, особенности, применение - Все о мотоблоках

Генераторы — виды, особенности, применение

Генератор — это машина, которая может производить электрическую энергию из механической энергии. Большинство генераторов очень похожи по конструкции на определенные электродвигатели.

Термин генератор часто используется в более широком смысле как техническое устройство, которое преобразует механическую, химическую, тепловую или электромагнитную энергию непосредственно в электрическую энергию. Также есть парогенераторы (паровые котлы), о которых подробней можно узнать здесь https://www.par-ma.ru/parkotl.php

Паровой котел
Паровой котел

Например, термоэлектрический генератор может генерировать электрическую энергию непосредственно из тепла. В этом смысле фотоэлектрические элементы также являются генераторами. Однако остальная часть этой статьи относится к электромеханическим генераторам.

Основной принцип и конструкции

Основным физическим принципом генератора является электрическая индукция: напряжение индуцируется в электропроводящей катушке, когда магнитный поток через катушку изменяется. Это достигается перемещением магнита против катушек. Есть два разных способа сделать это (кроме менее распространенного принципа линейного генератора), оба из которых обычно используются:

  • В генераторе с внешним полюсом магнитное поле создается в статоре (неподвижной части генератора), а электрическая энергия генерируется за счет индукции в роторе. Затем энергия должна передаваться наружу через скользящие контакты со щетками, что проблематично при высоких уровнях мощности.
  • В генераторе с внутренним полюсом магнитное поле создается в роторе, а индукция возникает в статоре. В случае электрического возбуждения (см. ниже) электрическую энергию часто приходится передавать через щетки, но в гораздо меньшей степени, поскольку энергия, необходимая для возбуждения, составляет лишь небольшую часть мощности генератора. В качестве альтернативы можно также использовать небольшой дополнительный возбудитель с внешним полюсом, чтобы покрыть текущие потребности ротора без щеток.

Если индукционная катушка затем также потребляет электрический ток, т.е. электрическая энергия вырабатывается генератором, создается противодействующая сила, замедляющая движение. Чем больше потребляемая электрическая мощность, тем больше требуется мощность механического привода. С другой стороны, электрически ненагруженный генератор почти не тормозит источник привода. Чтобы оценить требуемый крутящий момент привода, вы можете просто разделить потребляемую мощность на угловую скорость привода; фактический крутящий момент несколько выше из-за потерь энергии и т. д. из-за трения, а часто также вихревых токов и омических потерь в линиях.

Существуют также электростатические генераторы, в которых не используются магнитные поля. Однако они используются очень редко и подходят только для очень низких мощностей.

Существует множество различных конструкций генераторов, которые адаптированы к соответствующим приложениям. В зависимости от конструкции генератор вырабатывает переменный ток (возможно также в виде трехфазного тока) или постоянный ток. Постоянный ток получается, когда первоначально сгенерированное напряжение переменного тока выпрямляется, что выполняется либо внутренним коммутатором (электрические контакты, которые периодически меняют направление соединения катушки ротора в генераторе с внешним полюсом), либо внешним выпрямителем.

Синхронные и асинхронные генераторы

Некоторые генераторы переменного и трехфазного тока работают синхронно, т.е. их скорость определяется частотой энергосистемы, в которую они питаются. Такие синхронные генераторы используются почти исключительно для большой мощности. Однако генераторы меньшего размера часто работают как асинхронные генераторы, где есть некоторое проскальзывание скорости: они вращаются немного быстрее, особенно при работе на высокой мощности. Это приводит к определенной потере эффективности использования энергии, особенно в случае небольших генераторов. Еще одним недостатком асинхронного генератора является неопределенная реактивная мощность. Но он особенно прост в изготовлении и надежен. Синхронные генераторы часто проектируются таким образом, чтобы можно было генерировать регулируемую реактивную мощность.

Связь между скоростью и количеством полюсов

Для работы генератора на низких скоростях требуется большое количество полюсов.

У генераторов переменного и трехфазного тока (так же, как и у двигателей) существует более или менее постоянная зависимость между скоростью и частотой сети, которая, однако, также зависит от количества полюсов (= 2 · количество пар полюсов): Скорость магнитного поля (скорость вращающегося поля), которая точно соответствует скорости вращения ротора в синхронных машинах, равна частоте сети, деленной на число пар полюсов. Например, минимально возможное количество пар полюсов 1 при частоте сети 50 Гц дает скорость вращающегося поля 50/с = 3000/мин, т.е. 3000 оборотов в минуту. При двух парах полюсов скорость падает до 1500 оборотов в минуту, а 2000 об/мин недостижимы. Медленно работающие генераторы, т.е. на гидроэлектростанциях безредукторные ветряные турбины должны иметь большое количество полюсов. Напротив, турбогенераторы, которые приводятся в действие непосредственно турбинами, обычно бывают двухполюсными, а иногда и четырехполюсными.

Постоянное возбуждение и электрическое возбуждение

Небольшие генераторы (например, динамо-машины для велосипедов) обычно находятся в постоянном возбуждении, т.е. используемые магниты являются постоянными магнитами. Для очень больших генераторов на электростанциях речь идет только об электрическом возбуждении (внешнее возбуждение), т.е. используются электромагниты. Поэтому часть генерируемой электроэнергии используется для возбуждения, но эта часть может быть весьма небольшой (значительно ниже 1% генерируемой мощности для больших генераторов), поскольку катушки электромагнитов имеют низкое электрическое сопротивление.

Можно ли запустить генератор с электрическим возбуждением без внешнего источника энергии?

При запуске генератора с электрическим возбуждением без внешнего источника энергии возникает проблема, заключающаяся в том, что изначально нет энергии для работы возбудителя. Однако от более ранней эксплуатации остается, по крайней мере, небольшое остаточное магнитное поле, что, по крайней мере, делает возможным небольшое индукционное напряжение. Теперь это вызывает небольшой ток через катушку возбуждения, так что магнитное поле и, следовательно, индуцированное напряжение продолжают увеличиваться. В конечном счете, генератор также может быть запущен за короткое время без внешнего источника энергии. Описанный основной принцип называется динамо-электрическим принципом.

Высокопроизводительные неодимовые магниты также позволяют создавать более крупные генераторы с постоянным возбуждением.

Между тем, генераторы мощностью в несколько мегаватт, например, используемые, в частности, в ветряных турбинах, проектируются с постоянным возбуждением. Это стало возможным благодаря использованию высокопроизводительных неодимовых магнитов и обеспечивает как компактную конструкцию, так и (из-за особенно сильного магнитного поля) работу на очень низких скоростях, так что можно даже обойтись без редуктора. Меньшие версии таких генераторов также используются, например, в автомобилях с гибридным приводом. Однако, к сожалению, добыча неодима в рудниках (в настоящее время в основном в Китае) представляет собой очень загрязняющий процесс, поскольку руда содержит много других нежелательных веществ, некоторые из которых очень токсичны, а некоторые также радиоактивны. Существует также риск возникновения узких мест в поставках редкоземельных элементов, таких как неодим. Однако следует отметить, что в будущем деятельность по добыче полезных ископаемых можно было бы сделать более экологичной и что в конце срока службы такого генератора все количество содержащегося в нем неодима может быть переработано, поскольку этот материал не расходуется.

Относительно компактные и очень эффективные генераторы могут быть построены с использованием высокотемпературных сверхпроводников, например, для использования на кораблях.

Другой возможностью является электрическое возбуждение с помощью сверхпроводящих катушек, которое стало практичным с развитием высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП). В этом случае нет необходимости в электрической энергии для возбуждения, так как ток может протекать по катушкам без всякого сопротивления. Однако это требует энергии для работы охлаждающих машин, чтобы достаточно охладить катушки для достижения сверхпроводимости. Тем не менее, энергоэффективность может быть достаточно высокой. Этот принцип также обеспечивает особенно компактную конструкцию.

Энергоэффективность

Потери энергии происходят в генераторе в основном из-за электрического сопротивления катушек (омические потери, потери в меди) и нежелательных вихревых токов, образующихся в железных сердечниках (потери в железе ), также из-за механического трения и сопротивления воздуха, а в более крупных генераторах из-за энергии, необходимой для систем охлаждения. Однако большие стационарные генераторы достигают очень высокого КПД, часто превышающего 98% или даже 99%. Генераторы со сверхпроводящими катушками (см. выше), которые очень эффективны и могут быть построены меньшего размера, в настоящее время разрабатываются в основном для питания судовых двигательных установок.

В принципе, небольшие генераторы также могут иметь очень высокий КПД. Однако часто приходится идти на компромисс между эффективностью и другими аспектами. Например, генератор автомобиля должен быть максимально легким и компактным, и, конечно, затраты (в том числе материальные) часто играют важную роль в оптимизации.

Применение электрических генераторов

Основные области применения электрогенераторов:

Подавляющее большинство электроэнергии вырабатывается генераторами, особенно турбогенераторами.

  • На большинстве электростанций электрическая энергия создается из механической энергии в одном или нескольких генераторах. В частности, это относится к гидроэлектростанциям, ветряным турбинам и всем типам тепловых электростанций, независимо от того, производится ли тепло за счет сжигания топлива или в ядерном реакторе . В случае тепловых электростанций практически всегда используются турбогенераторы.
  • В электромобилях и автомобилях с гибридным приводом, приводной двигатель обычно служит генератором при торможении для восстановления энергии торможения (рекуперация ), которую можно использовать для зарядки аккумулятора автомобиля. Точно так же большинство электровозов могут использовать двигатель в качестве генератора и возвращать энергию торможения в контактную сеть.
  • В автомобилях с двигателем внутреннего сгорания бортовой генератор переменного тока вырабатывает необходимую электроэнергию, если только более мощный генератор уже не доступен от гибридного привода. В велосипедах используется небольшая динамо-машина с очень малой мощностью, которая сегодня часто проектируется как более эффективная и надежная динамо-машина ступицы колеса.

Типичные характеристики электрических генераторов

В зависимости от конструкции генераторы могут отвечать широкому спектру требований:

  • Возможна электрическая мощность от менее одного ватта до значительно более одного гигаватт.
  • Особенно большие генераторы (например, на электростанциях мощностью в сотни мегаватт) в некоторых случаях достигают очень высокого КПД, превышающего 98%. Высокий КПД возможен в широком диапазоне выходных мощностей, т. е. даже при частичной нагрузке. Электрическое напряжение может составлять десятки киловольт (хотя все еще значительно ниже, чем у высоковольтных линий электропередач), а электрические токи в десятки килоампер являются обычным явлением.
  • В зависимости от конструкции генератор вырабатывает постоянный ток, переменный ток или трехфазный ток и может работать с постоянной или переменной скоростью.
  • Многие генераторы также могут работать как электродвигатели. Затем часто говорят об электрических машинах в более общем смысле.
  • Срок службы генератора обычно очень велик (часто многие десятилетия), если не допускаются определенные проблемные условия эксплуатации (например, сильная перегрузка, чрезмерная скорость или отказ системы охлаждения).
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector