Однофазный генератор - Single-phase generator

Элементарный генератор - пример однофазных генераторов с двумя полюсами.

Однофазный генератор (также известный как однофазный генератор) является переменный ток электрический генератор который производит единичное непрерывно переменное напряжение. Однофазные генераторы могут использоваться для выработки электроэнергии в однофазная электроэнергия системы. Тем не мение, многофазные генераторы обычно используются для передачи энергии в трехфазное распределение Вместо этого ток преобразуется в однофазный около однофазных нагрузок. Таким образом, однофазные генераторы используются в приложениях, которые чаще всего используются, когда приводимые в движение нагрузки относительно легкие,[1] и не подключен к трехфазной сети, например переносной двигатели-генераторы. Однофазные генераторы большего размера также используются в специальных приложениях, таких как однофазные. сила тяги за системы электрификации железных дорог.[2]

Дизайн

Вращающаяся арматура

Конструкция револьверной арматура генераторы должны иметь часть якоря на ротор и часть магнитного поля на статор. Базовая конструкция, называемая элементарный генератор,[3] иметь арматуру прямоугольной петли, чтобы разрезать силовые линии между северным и южным полюсами. Разрезая силовые линии посредством вращения, он производит электрический ток. Ток выводится из генератора через два комплекта контактные кольца и кисти, по одному на каждый конец якоря. В этой двухполюсной конструкции, когда якорь вращается на один оборот, он генерирует один цикл один этап переменный ток (AC). Для генерации переменного тока на выходе якорь вращается с постоянной скоростью, количество оборотов в секунду соответствует желаемой частоте (в герц ) выхода переменного тока.

Взаимосвязь выхода переменного тока и вращения якоря

  • Арматура под углом 0 градусов.

  • Арматура под углом 90 градусов.

  • Арматура на 180 градусов.

  • Арматура на 270 градусов.

  • Арматура на 360 градусов.

Взаимосвязь вращения якоря и выхода переменного тока можно увидеть на этой серии изображений. Из-за кругового движения якоря против прямых силовых линий переменное количество силовых линий будет разрезано даже при постоянной скорости движения. При нулевом градусе прямоугольное плечо якоря не пересекает силовых линий, обеспечивая нулевое выходное напряжение. Поскольку рычаг якоря вращается с постоянной скоростью к положению 90 °, обрезается больше линий. Силовые линии обрезаются максимум, когда якорь находится в положении 90 °, выдавая наибольший ток в одном направлении. Когда он поворачивается к положению 180 °, меньшее количество силовых линий обрезается, выдавая меньшее напряжение, пока оно снова не станет нулевым в положении 180 °. Напряжение снова начинает расти, когда якорь направляется к противоположному полюсу в положении 270 °. В этом положении ток генерируется в противоположном направлении, обеспечивая максимальное напряжение на противоположной стороне. Напряжение снова уменьшается, когда он завершает полный оборот. За один оборот выход переменного тока производится за один полный цикл, как показано на синусоидальная волна.

Якорь однофазного генератора с вращающимся якорем с 4-мя обмотками и его выходной синусоидальной волной.
Однофазный генератор с четырьмя полюсами

К однофазному генератору также можно добавить больше полюсов, чтобы одно вращение могло производить более одного цикла выходного переменного тока. В примере слева часть статора реконфигурируется так, чтобы иметь 4 полюса, которые расположены на одинаковом расстоянии. К двум южным полюсам примыкает северный полюс. Также изменилась форма якоря в роторной части. Это больше не плоский прямоугольник. Рука согнута на 90 градусов. Это позволяет одной стороне якоря взаимодействовать с северным полюсом, в то время как другая сторона взаимодействует с южным полюсом аналогично двухполюсной конфигурации. Ток по-прежнему подается через два набора контактных колец и щеток таким же образом, как и в двухполюсной конфигурации. Разница в том, что цикл выхода переменного тока может быть завершен после поворота якоря на 180 градусов. За один оборот выход переменного тока будет два цикла. Это увеличивает частоту выхода генератора. Можно добавить больше полюсов, чтобы получить более высокую частоту при той же скорости вращения генератора или ту же выходную частоту при более низкой скорости вращения генератора в зависимости от применения.

Эта конструкция также позволяет увеличивать выходное напряжение за счет изменения формы якоря. Мы можем добавить к арматуре больше прямоугольных петель, как показано на рисунке справа. Дополнительные петли на плече якоря соединены последовательно, которые фактически представляют собой дополнительные обмотки того же проводящего провода, образующие катушку прямоугольной формы. В этом примере в катушке 4 обмотки. Поскольку формы всех обмоток одинаковы, количество силовых линий будет разрезано на одинаковую величину в одном направлении в одно и то же время во всех обмотках. Это создает в фазе Выход переменного тока для этих 4 обмоток. В результате выходное напряжение увеличивается в 4 раза, как показано на диаграмме синусоидой.[4]

Вращающееся поле

Схема однофазного генератора вращающегося поля с двумя полюсами
Схема однофазного генератора вращающегося поля с четырьмя полюсами

Генераторы вращающегося поля должны иметь часть якоря на статоре и часть магнитного поля на роторе. Справа показана базовая конструкция однофазного генератора с вращающимся полем. Есть два магнитных полюса, северный и южный, прикрепленные к ротору, и две катушки, которые соединены последовательно и на равном расстоянии от статора. Обмотки двух катушек имеют обратное направление, чтобы ток протекал в одном направлении, потому что две катушки всегда взаимодействуют с противоположными полярностями. Поскольку полюса и катушки расположены на одинаковом расстоянии, а положения полюсов совпадают с местоположением катушек, магнитные силовые линии разрезаются на одинаковую величину при любом градусе вращения ротора. В результате напряжения, наведенные на все обмотки, имеют одинаковое значение в любой момент времени. Напряжения от обеих катушек равны "в фазе "друг к другу. Таким образом, общее выходное напряжение в два раза больше напряжения, индуцированного в каждой обмотке. На рисунке, в позиции, где встречаются полюс номер 1 и катушка номер 1, генератор выдает максимальное выходное напряжение в одном направлении. Поскольку ротор поворачивается на 180 градусов, выходное напряжение чередуется для получения максимального напряжения в другом направлении.[3] Частота выхода переменного тока в этом случае равна количеству оборотов ротора в секунду.[1]

Эта конструкция также может позволить нам увеличить выходную частоту, добавив больше полюсов. В этом примере справа у нас есть 4 катушки, последовательно соединенные на статоре, а полевой ротор имеет 4 полюса. Обе катушки и полюса расположены на одинаковом расстоянии. Каждый полюс имеет полярность, противоположную полярности соседей, которые расположены под углом 90 градусов. Каждая катушка также имеет обмотку, противоположную соседним. Эта конфигурация позволяет разрезать силовые линии на 4 полюсах 4 витками на одинаковую величину в данный момент времени. При каждом повороте на 90 градусов полярность выходного напряжения переключается с одного направления на другое. Следовательно, есть 4 цикла выхода переменного тока за один оборот. Поскольку 4 катушки соединены последовательно, а их выходы «синфазны», выход переменного тока этого однофазного генератора будет иметь в 4 раза больше напряжения, чем напряжение, генерируемое каждой отдельной катушкой.[3]

Преимущество конструкции вращающегося поля заключается в том, что если полюса постоянные магниты, то нет необходимости использовать токосъемное кольцо и щетку для вывода электроэнергии из генератора, поскольку катушки неподвижны и могут быть подключены напрямую от генератора к внешним нагрузкам.

Малые генераторы

Однофазные генераторы, с которыми люди знакомы, обычно имеют небольшие размеры. Заявки предназначены для резервные генераторы в случае прерывания основного электроснабжения и для временного электроснабжения строительных площадок.[5]

Другое приложение находится в малая ветровая техника. Хотя большинство Ветряные турбины использовать трехфазные генераторы, однофазные генераторы встречаются в некоторых моделях небольших ветряных турбин с номинальной выходной мощностью до 55 кВт. Однофазные модели доступны в ветряные турбины с вертикальной осью (VAWT) и ветряные турбины с горизонтальной осью (HAWT).[6][7]

Энергостанции

В трубопроводе гидро турбина с однофазным генератором на муниципальной электростанции Сент-Луиса в 1902 году
Колесо Пелтона слева подключено к однофазному генератору справа на ГЭС Вальхензее.
Однофазный генератор с приводом от парового двигателя на муниципальной электростанции Сент-Луиса в 1902 году (справа)
Атомная электростанция Неккарвестхайм

В первые дни производства электроэнергии генераторы на энергостанции был однофазным переменным током или постоянный ток. Направление электроэнергетики изменилось в 1895 году, когда более эффективные многофазные генераторы были успешно реализованы на Адамс ГЭС который был первым масштабным многофазная мощность станция.[8] На новых электростанциях начали применять многофазную систему. В 1900-х годах многие железные дороги начали электрификация их линий. В то время однофазная система переменного тока широко использовалась для их тяговые электрические сети рядом с системой постоянного тока. Первые генераторы для этих однофазных тяговых сетей были однофазными.[9] Даже с новыми трехфазными двигателями, которые были внедрены в некоторые современные поезда, однофазные передачи для тяговых сетей пережили свое время и до сих пор используются на многих железных дорогах.[10] Однако многие тяговые электростанции со временем заменили свои генераторы, чтобы использовать трехфазные генераторы и преобразовать их в однофазные для передачи.[11]

Гидро

На раннем этапе развития гидроэлектроэнергия, однофазные генераторы сыграли важную роль в демонстрации преимуществ переменного тока. В 1891 году однофазный генератор на 3000 вольт и 133 Гц на 100 Лошадиные силы был установлен в Гидроэлектростанция Эймса который был связан ремнем с водяным колесом Пелтона. Электроэнергия передавалась по кабелю длиной 4,2 км (2,6 мили) для питания идентичного двигателя на заводе. Завод был первым, кто вырабатывал электроэнергию переменного тока для промышленного применения, и это продемонстрировало эффективность передачи переменного тока. Это было прецедентом для более крупных заводов, таких как Эдвард Дин Адамс Электростанция в Ниагарский водопад, Нью-Йорк в 1895 г.[12] Однако на более крупных предприятиях для большей эффективности использовались многофазные генераторы. Это оставило применение однофазной гидроэлектроэнергии для особых случаев, таких как легкие нагрузки.

Пример использования однофазной сети в частном случае был реализован в 1902 году на муниципальной электростанции Сент-Луиса. Однофазный генератор мощностью 20 кВт был напрямую подключен к водяному колесу Pelton для выработки электроэнергии, достаточной для питания легких нагрузок. Это была ранняя демонстрация трубопроводная гидросистема для сбора энергии из потока воды в общественная вода трубопровод. Энергия для водопровода в этом случае создавалась не за счет силы тяжести, но вода перекачивалась более крупной паровой машиной на водонасосной станции для подачи воды потребителям. Решение о том, чтобы перекачивать воду более крупным двигателем, а затем отбирать часть энергии из потока воды для питания меньшего генератора, использующего водяное колесо, было основано на стоимости. В то время паровые машины были неэффективны и не рентабельны для системы мощностью 20 кВт. Поэтому они установили пароводяной насос, чтобы иметь достаточно энергии, чтобы поддерживать давление воды для потребителя и одновременно приводить в действие небольшой генератор.[13]

Основное применение однофазной гидроэлектроэнергии сегодня - это питание тяговых сетей железных дорог. Многие сети электропередачи для железных дорог, особенно в Германии, зависят от однофазной генерации и передачи, которые используются до сих пор. Известная электростанция Гидроэлектростанция Вальхензее в Бавария. Станция набирает воду с надземных Озеро Вальхензее приводить в движение восемь турбин, приводящих в движение генераторы. Четыре из них - трехфазные генераторы для питания Энергосистема. Остальные четыре однофазных генератора подключены к турбинам Pelton, общая мощность которых составляет 52 МВт для питания немецких Электрификация железных дорог переменного тока 15 кВ.[14]

Подобные однофазные генерации гидроэлектроэнергии также используются в другом варианте системы электрификации железных дорог в Соединенных Штатах. Электростанция в Safe Harbor Dam в Пенсильвания обеспечивает производство электроэнергии как для коммунальных предприятий, так и для Amtrak Железнодорожный. Две из 14 турбин подключены к двум однофазным генераторам для питания. Система тягового питания Amtrak 25 Гц. Две турбины имеют Каплан тип с 5 лопастями мощностью 42 500 лошадиных сил.[15]

Пар

В первые годы паровые машины использовались в качестве первичных двигателей генераторов. Установка на Святой Луи Городская электростанция в 1900-х годах была примером использования паровых машин с однофазными генераторами. Завод в Сент-Луисе использовал составной паровой двигатель для привода однофазного генератора мощностью 100 кВт, вырабатывающего ток номинальной мощностью 1150 вольт.[13]

Паровые двигатели также использовались в течение двадцатого века на электростанциях для тяговых сетей, которые имели однофазное распределение энергии для определенных железных дорог. Специальный комплект однофазных генераторов с паровыми турбинами на ВГЭС в г. Нью-Йорк в 1938 г. был примером такой системы генерации и распределения. Однофазные генераторы были в конечном итоге выведены из эксплуатации в конце 1970-х годов из-за опасений по поводу отказа турбины на другой станции. Генераторы были заменены двумя трансформаторами, чтобы перейти с другого трехфазного источника питания на существующий однофазный. цепная связь мощность. В итоге трансформаторы были заменены двумя твердотельными. циклоконвертер вместо.[8]

Ядерная

Обычно, атомная электростанция используются как базовая нагрузка станции с очень большими мощностями для подачи электроэнергии в сети. Неккарвестхайм I в Неккарвестхайм является уникальной атомной электростанцией, так как она оснащена однофазными генераторами большой мощности для обеспечения Deutsche Bahn железная дорога с удельным напряжением переменного тока частотой 16 2/3 Гц. В реактор с водой под давлением передавать тепловую энергию двум турбинам и генераторам мощностью 187 МВт и 152 МВт.[16]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ а б «Модуль 5 - Введение в генераторы и двигатели (NAVEDTRA 14177)» (PDF). Серия учебных курсов по электричеству и электронике для ВМФ. ВМС США. Сентябрь 1998. С. 3–7–3–8, 3–15.. Получено 4 сентября 2013.
  2. ^ «Инструмент оценки устойчивости гидроэнергетики» (PDF). E.ON Kraftwerke GmbH. п. 2. Получено 4 сентября 2013.
  3. ^ а б c Справочник техника по обслуживанию авиации - общее (FAA-H-8083-30) (PDF). Федеральная авиационная администрация. 2008. С. 10–130, 10–161.. Получено 6 сентября 2013.
  4. ^ «Двигатели переменного тока и генераторы». Министерство обороны США. 1961 г.. Получено 5 сентября 2013.
  5. ^ Брумбах, Майкл Э. Промышленное электричество (8-е изд.). Клифтон-Парк, Нью-Йорк: Дельмар. п. 418. ISBN  9781435483743.
  6. ^ «Ветряная турбина Endurance E-3120-50 кВт от Endurance Wind Power». AZoNetwork. 13 мая 2010 года. Получено 20 сентября 2013.
  7. ^ Форсайт, Труди (20 мая 2009 г.). «Малая ветровая техника» (PDF). Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии. Получено 20 сентября 2013.
  8. ^ а б "Вехи: ГЭС Адамс, 1895 г.". Сеть глобальной истории IEEE. Получено 12 сентября 2013.
  9. ^ Западный электрик, Том 37. Издательская компания "Электрик". 1906 г.
  10. ^ Мотидзуки, Асахи (октябрь 2011 г.). "История ускорения JRTR 2, часть 2: ускорение обычных линий и синкансэн" (PDF). Обзор железных дорог и транспорта Японии (58). Получено 12 сентября 2013.
  11. ^ "Железнодорожные электростанции Нью-Йорка". Сеть глобальной истории IEEE. Получено 12 сентября 2013.
  12. ^ "Вехи: гидроэлектростанция Эймса, 1891 год". Сеть глобальной истории IEEE. Получено 21 сентября 2013.
  13. ^ а б "Муниципальная электростанция Сент-Луиса". Западный электрик. 30 (1–26): 387. Получено 21 сентября 2013.
  14. ^ "Электростанция Вальхензее. Технологическая жемчужина в Альпах" (PDF). e.on Wesserkraft. Получено 21 сентября 2013.
  15. ^ "Факты и цифры". Safe Harbor Water Power Corporation. Получено 21 сентября 2013.
  16. ^ "Neckarwestheim I darf nicht länger laufen. Bundesumweltministerium lehnt Strommengenübertragung von Block II auf Block I ab". Федеральное министерство окружающей среды, охраны природы и ядерной безопасности (Германия). 12 июня 2008 г.. Получено 21 сентября 2013.