Электрогенератор
Электрический генератор (от латинского — «производитель») — устройство, вырабатывающее электрическую энергию, то есть преобразующее механическую энергию в электрический ток.
Благодаря изобретению генератора уже в середине XIX в. у промышленности и населения появилась реальная возможность производства и использования электричества, например, для работы станков или освещения домов и улиц. Кстати, электрические двигатели постоянного тока по своей конструкции практически полностью аналогичны генераторам. Более того, если вращать якорь электромотора постоянного тока (например, от электрической машинки или другой игрушки), он, как и генератор, начнет вырабатывать ток.
Принцип работы первого генератора
В 1831 г. английский ученый Майкл Фарадей открыл электромагнитную индукцию. Сущность этого открытия заключалась в том, что если вращать проводник между полюсами магнита, то в нем возникнет электромагнитное поле. Такое поле возбуждает движение электронов, и по проводнику начинает течь электрический ток. Благодаря этому открытию стало возможным создание электрического генератора и электрического двигателя.
Как работает электрогенератор?
Работа электрогенератора состоит во взаимодействии статора, ротора и контактных колец. Статор во включенном генераторе остается неподвижным. Расстояние между статором и ротором составляет всего лишь несколько миллиметров, поэтому между ними возникает очень сильное магнитное поле, и в обмотке ротора появляется электрический ток большой мощности. Обмотка статора при подаче напряжения от внешнего источника превращается в электромагнит.
Ротор соединен с валом механического устройства (двигатель внутреннего сгорания, ветряной или водяной двигатель и т. п.) и вращается во время работы генератора. Обмотка ротора в момент своего движения постоянно пересекает магнитное поле, создаваемое обмотками статора, и в ней образуется электрический ток.
Такая конструкция позволила избавиться от больших и тяжелых постоянных магнитов. Контактные кольца предназначены для съема электрической энергии с обмоток ротора. Они представляют собой барабан со множеством медных пластин, к которым подключены обмотки ротора. Снаружи с ними соприкасаются графитовые щетки, к которым с помощью проводов подключен потребитель электрической энергии.
Современный водяной двигатель
В современных водяных двигателях колесо с лопастями заменено более скоростной водяной турбиной (образовано от слова «турбо» — «вихрь»). Чаще всего она имеет спиральный кожух, по форме напоминающий раковину улитки. Вода поступает в широкий конец кожуха. Так как «коридор», по которому она течет, все время сужается, ее напор увеличивается.
Затем усиленный поток воды поступает на вогнутые лопатки турбины, которая расположена в центре «улитки», и вращает ее. Так энергия потока воды преобразуется в механическую работу.
Электричество из воды
В наши дни электричество производят на гидроэлектростанциях, которые используют энергию движущейся воды.
Гидроэлектростанция состоит из двух основных частей: энергоблока и плотины (или дамбы), накапливающей воду. В энергоблоке расположены генераторы, вырабатывающие электрический ток. Их роторы вращаются благодаря водяным турбинам. Так энергия потока воды преобразуется в электрическую.
Гидроэлектростанции-гиганты
Одна из самых мощных в мире гидроэлектростанций была построена в Китае на реке Янцзы и получила название «Три ущелья». Ее бетонная плотина имеет длину 2309 м и высоту 185 м. Общая мощность электрогенераторов станции составляет почти 23 МВт (1 МВт = 1 млн Вт). За год они вырабатывают около 100 млрд кВт/ч электроэнергии.
Лишь немногим меньше электроэнергии вырабатывает гидроэлектростанция «Итайпу», расположенная на реке Парана (на границе Бразилии и Парагвая), которая имеет самую большую плотину. Высота этого гигантского сооружения достигает 196 м, а длина — 7235 м.
История и развитие электрического генератора
Электрогенератор – это устройство, посредством которого механическая энергия преобразуется в электрическую.
Первый генератор, которым, правда, было трудно пользоваться, основанный на явлении электромагнитной индукции, был построен братьями Пиксин в 1832 г. Трудность заключалась в том, что вращать приходилось тяжелый постоянный магнит, чтобы в двух его проволочных катушках, возникал переменный электрический ток.
С целью повышения мощности электрических машин, число магнитов и катушек приходилось увеличивать. Несмотря на то, что магнит вращался вручную, он все-таки был способен вырабатывать электрический ток.
Русский ученый Э. Ленц в 1833 г. обратил внимание на то, что электрические машины могут быть обратимыми. Это значило, что если вращать вал электрического двигателя, то он может работать как генератор вполне эффективно. Свою теорию Ленц доказал в 1838 г. на основе электрического двигателя Б. С. Якоби.
Генератор из трех постоянных подвижных магнитов с 6 катушками индуктивности был создан Э. Штерером, в 1843 г. Магниты и катушки вращались в нем вручную вокруг вертикальной оси.
Заменить постоянный природный магнит электрическим, удалось в 1851 г. Это открытие позволило создавать электрические машины большей мощности. Первая машина с электромагнитом была создана в 1863 г. В 1870 г. во Франции появился генератор, работающий на принципе самовозбуждения.
Создан он был инженером-изобретателем З. Граммом. Принцип самовозбуждения обнаружили в процессе исследования работы электрических машин — оказалось, что сердечники электромагнитов сохраняют остаточный материал после прекращения подачи тока, а это дает возможность генератору сразу после запуска из состояния покоя давать электричество.
Составной частью электрической машины Грамма был кольцевой якорь, укрепленный на горизонтальном валу. Вращение происходило между двумя электромагнитами, обмотки которых последовательно подключались к обмотке якоря. Потребители получали ток от генератора через металлические щетки, скользившие по коллектору.
Генератор Грамма принимал участие на Веской выставке в 1873 г. и демонстрировал передачу электрического тока на расстояние. В промышленном масштабе производство подобных машин началось благодаря электрическому генератору Грамма.
Этапы развития электрического генератора
Электрический генератор в своем развитии прошел 4 этапа: на первом этапе, охватившем период с 1831 по 1851 гг. шло создание электрических генераторов с возбуждением от постоянных магнитов. Это были магнитоэлектрические машины.
Электромагнитная индукция, открытая в 1831 г. определила новый способ получения электрического тока. Практическое воплощение он нашел в диске Фарадея – первом униполярном генераторе.
Развитие электрического генератора постоянного тока на втором этапе охватывает период с 1851 по 1867 гг. В этот период происходит конструирование генераторов с независимым возбуждением, в результате чего их относительная масса становится меньше, и улучшается их работа.
Замена постоянных магнитов электромагнитами была обоснована немецким ученым В. Зинстеденом и датчанином С. Хиортом в начале 50-х годов XIX века.
Примером генератора с электромагнитами является генератор англичанина Г. Уайльда, обмотки электромагнитов которого питались токами от независимого источника. Таким образом, машина Уайльда подготовила конструкторскую мысль для создания генераторов с самовозбуждением.
Условно, 1867 г. можно считать началом третьего этапа в развитии генераторов постоянного тока. Условность даты связана с тем, что на первенство в их изобретении претендовали многие известные ученые и изобретатели, среди них были В. Сименс, Ч. Уитстон, братья Кромвель, С. Варлей, А. Йедлик и др.
Основным содержанием четвертого этапа в развитии электрических генераторов становится разработка самовозбуждающихся генераторов с кольцевыми и барабанными якорями и развитыми магнитными системами.
Французский специалист З. Т. Грамм становится одним из известнейших специалистов в области электромашиностроения и электрического освещения. В патенте, который он получил в 1870 г., содержалось описание самовозбуждающегося генератора с кольцевым якорем. Несмотря на то, что у него было еще несколько конструкций самовозбуждающихся машин, принципиальных изменений в них уже не вносилось.
Генераторы Грамма имели целый ряд преимуществ – они были экономичными источниками электрической энергии с высоким КПД, имели малые габариты и массу. По сравнению с машиной «Альянс», машины Грамма имели массу в 6 раз меньше, чем генератор с постоянными магнитами. Благодаря своим преимуществам генератор Грамма вытеснил другие типы и получил широкое распространение.
Машину Грамма использовали в режиме генератора и в режиме двигателя.
В начале 70-х годов XIX века произошло объединение двух линий развития электрических машин (генератора и двигателя). Хоть машина Грамма и была машиной постоянного тока современного типа, она нуждалась в некоторых усовершенствованиях. Начались они в 70-80-е годы XIX века, когда исследования процессов в электрических машинах продолжились.
В это время американец Х. Максим снова возвращается к зубчатому якорю и внутренним каналам для вентиляции. Второй американец Т. Эдисон в 1880 г. получает патент на шихтованный якорь, пластины которого были изолированы листами тонкой бумаги, замененные позже лаком.
Шаблонная и компенсационная обмотки начали применяться с 1885 г. с установлением дополнительных полюсов.
В совершенствовании проектирования электрических машин огромное значение имели работы А. Г. Столетова. Он исследовал магнитные свойства «мягкого железа» и доказал связь магнитной восприимчивости железа с напряженностью магнитного поля.
Немецкий физик Э. Варбург в 1880 г. открыл явление гистерезиса и приступил к исследованию магнитных потерь в стали.
Англичанин Дж. Юинг, сделав вывод о «гистерезисном цикле», предложил прибор для вычерчивания кривых намагничивания.
Американец Ч. Штейнмец предложил эмпирическую формулу для определения потерь на гистерезис.
Английский электротехник Дж. Гопкинс в 1885 г. формулировал закон магнитной цепи.
Электрическая машина постоянного тока к концу 80-х годов приобрела современные конструктивные черты.
Бытовые генераторы
Комфортную жизнь современного человека трудно представить без электричества, которое является сегодня самым важным ресурсом в мире.
Широкое применение генераторы переменного тока нашли в быту и на производстве, благодаря своей компактности, мобильности и безотказности.
Их спектр применения очень широкий, поэтому они являются универсальными устройствами, способными производить электрический ток. Конечно, в современных квартирах они не нужны, а на даче, например, они будут весьма востребованы.
В жизни бывают моменты, когда дублирование основного электроснабжения необходимо. Например, клиники и больницы с реанимационными и хирургическими отделениями обязательно должны иметь автономную аварийную систему электроснабжения. В таких случаях электрические генераторы спасают жизнь людей.
Рынок современных дизельных генераторов очень большой. Они отличаются своей мощностью, видом топлива, размерами, уровнем шума и др.
Для бытовых ситуаций создано несколько моделей, при производстве которых к их устройству учтены требования покупателей. Важными являются такие характеристики как компактность – если его можно перевозить в багажнике автомобиля, то такой генератор, безусловно, найдет своего покупателя.
Электрические генераторы производят под бензин, газ, дизельное топливо.
В бытовых условиях можно использовать любое топливо, но, наиболее выгодным является дизельное топливо.
Мощность агрегата рассчитывается, исходя из суммы потребления электроприборов, подключаемых одновременно.
История создания генератора.
В 1833 году русский ученный Э.Х.Ленц выдвинул теорию об обратимости эклектических машин. Он предположил, что если на одну и туже машину подать электричество, то она станет работать как электродвигатель, а если ее роутер с помощью другой машины привести в движение, то получиться генератор эклектического тока. А в 1987 году, бывшим членом комиссии испытывающей действие эклектического мотора Якоби доказал теорию обратимости эклектической машины.
Братья Пиксин, работающие техниками в Париже, основываясь на знаниях о явлении электромагнитной индукции, создали первый генератор электрического тока. Работа этого генератора основывалась на вращении тяжелого постоянного магнита, с помощью которого возникал переменный ток в двух неподвижно укрепленных вблизи полюсов проволочных катушек. Пользоваться этим генератором было крайне неудобно. В генератор было установлено устройство по выпрямлению тока. В дальнейшем для повышения мощности электрической машины братья увеличили число катушек и магнитов. В результате данного изобретения была в 1843 году построена машина, получившая название генератор Эмиля Штерера. Особенностью данной машины были шесть катушек, которые вращались вокруг вертикальной оси и три стальных подвижных магнита. До 1851 на первом этапе развития электрогенераторов магнитное поле получали при использовании постоянных магнитов.
Вторым этапом 1851-1867 гг. было создание генераторов, используемых электромагниты вместо постоянных магнитов. Что позволило увеличить мощность электрической машины.
Подобная машина была создана англичанином Генри Уальдом в 1863 г. В ходе эксплуатации данного вида генератора выяснилась уникальная возможность. Генераторы, вырабатывая электричество для потребителя, могли одновременно снабжать током и свои электромагниты. Как выяснилось, это возможно благодаря остаточному магнетизму, сохраняющемуся в сердечнике электромагнита даже после выключения тока. А значит, генератор с самовозбуждением может давать ток при запуске из состояния покоя. Основываясь на данном открытии, в 1866-1867гг изобретатели в разных уголках мира получили патенты на самовозбуждающиеся генераторы.
В 1870 году бельгийцем Зеноб Граммом был создан генератор, использовавший принцип самовозбуждения, а также был усовершенствован якорь, изобретенный Пачинотти в 1860 году. Данный генератор получил применение во многих областях промышленности.
В 1873 году на Венской международной выставке была произведена следующая демонстрация. Две одинаковые машины были соединены между собой километровыми проводами. Первая машина, служившая генератором электроэнергии, приводилась двигателем внутреннего сгорания в движение. Вторая являлась источником питания для насоса, получив по проводам электричество от первой. Это стало наглядной демонстрацией открытой Ленцем обратимости эклектических машин и легло в основу передачи энергии на расстояние.
Электрическая индукция или эффект трибоэлектрический, основанный на возникновении заряда, возникающий в следствии механического контакта двух диэлектриков, являются механизмом для выработки заряда.
Электрические генераторы, имеющие низкую мощность, имели низкую эффективность и проблемы с изоляцией так и никогда не получили масштабного использования в промышленности. Дожившие до нашего времени эклектические машины — это электрофорная машина, а также генератор Ваан де Графа.
Область применения электрогенератора разнообразна.
Основываясь на большом опыте работы, наша Компания разработала инструкцию для самостоятельного подбора генератора.
Данный текст поможет Вам максимально точно посчитать требуемую Вашему объекту мощность генератора.
Электрический генератор
Основное оборудование электрических станций и подстанций
Электрический генератор — это устройство, в котором неэлектрические виды энергии (механическая, химическая, тепловая) преобразуются в электрическую энергию.
История изобретения генератора электрического тока
Русский ученый Э.Х.Ленц еще в 1833г. указал на обратимость электрических машин: одна и та же машина может работать как электродвигатель, если ее питать током, и может служить генератором электрического тока, если ее ротор привести во вращение каким-либо двигателем, например паровой машиной. В 1838г. Ленц, один из членов комиссии по испытанию действия электрического мотора Якоби, на опыте доказал обратимость электрической машины.
Первый генератор электрического тока, основанный на явлении электромагнитной индукции, был построен в 1832г. парижскими техниками братьями Пиксин. Этим генератором трудно было пользоваться, так как приходилось вращать тяжелый постоянный магнит, чтобы в двух проволочных катушках, укрепленных неподвижно вблизи его полюсов, возникал переменный электрический ток. Генератор был снабжен устройством для выпрямления тока. Стремясь повысить мощность электрических машин, изобретатели увеличивали число магнитов и катушек. Одной из таких машин, построенной в 1843г., был генератор Эмиля Штерера. У этой машины было три сильных подвижных магнита и шесть катушек, вращавшихся от рук вокруг вертикальной оси. Таким образом, на первом этапе развития электромагнитных генераторов тока (до 1851г.) для получения магнитного поля применяли постоянные магниты. На втором этапе (1851-1867гг.) создавались генераторы, у которых для увеличения мощности постоянные магниты были заменены электромагнитами. Их обмотка питалась током от самостоятельного небольшого генератора тока с постоянными магнитами. Подобная машина была создана англичанином Генри Уальдом в 1863г.
При эксплуатации этой машины выяснилось, что генераторы, снабжая электроэнергией потребителя, могут одновременно питать током и собственные магниты. Оказалось, что сердечники электромагнитов сохраняют остаточный магнетизм после выключения тока. Благодаря этому генератор с самовозбуждением дает ток и тогда, когда его запускают из состояния покоя. В 1866-1867гг. ряд изобретателей получили патенты на машины с самовозбуждением.
В 1870г. бельгиец Зеноб Грамм, работавший во Франции, создал генератор, получивший широкое применение в промышленности. В своей динамо-машине он использовал принцип самовозбуждения и усовершенствовал кольцевой якорь, изобретенный еще в 1860 г.А.Пачинотти.
В одной из первых машин Грамма кольцевой якорь, укрепленный на горизонтальном валу, вращался между полюсными наконечниками двух электромагнитов. Якорь приводился во вращение через приводной шкив, обмотки электромагнитов были включены последовательно с обмоткой якоря. Генератор Грамма давал постоянный ток, который отводится с помощью металлических щеток, скользивших по поверхности коллектора. На Венской международной выставке в 1873г. демонстрировались две одинаковые машины Грамма, соединенные проводами длиной 1 км. Одна из машин приводилась в движение от двигателя внутреннего сгорания и служила генератором электрической энергии. Вторая машина получала электрическую энергию по проводам от первой и, работая как двигатель, приводила в движение насос. Это была эффектная демонстрация обратимости электрических машин, открытой Ленцем, и демонстрация принципа передачи энергии на расстояние.
До того, как была открыта связь между электричеством и магнетизмом, использовались электростатические генераторы, которые работали на основе принципов электростатики. Они могли вырабатывать высокое напряжение, но имели маленький ток. Их работа была основана на использовании наэлектризованных ремней, пластин и дисков для переноса электрических зарядов с одного электрода на другой.
Заряды вырабатывались, используя один из двух механизмов:
- Электростатическую индукцию
- Трибоэлектрический эффект, при котором электрический заряд возникал из-за механического контакта двух диэлектриков
По причине низкой эффективности и сложностей с изоляцией машин, вырабатывающих высокие напряжения, электростатические генераторы имели низкую мощность и никогда не использовались для выработки электроэнергии в значимых для промышленности масштабах. Примерами доживших до наших дней машин подобного рода являются электрофорная машина и генератор Ван де Граафа.
Принцип работы любого электрического генератора
Принцип работы любого электрического генератора основан на явлении электромагнитной индукции. Электромагнитная индукция преобразовывает механическую энергию двигателя (вращение0 в энергию электрическую. Принцип магнитной индукции: если в однородном магнитном поле В равномерно вращается рамка, то в ней возникает, переменная Э.Д.С., частота которой равна частоте вращения рамки. Будем ли мы вращать рамку в магнитном поле, или магнитное поле вокруг рамки, либо магнитное поле внутри рамки, результат будет один — Э.Д.С., изменяющаяся по гармоническому закону.
Вот теперь и поговорим о асинхронном и синхронном генераторе более подробно.
Синхронный электрогенератор
Синхронный электрогенератор — это синхронная машина, работающая в режиме генератора в которой частота вращения магнитного поля статора равна частоте вращения ротора. Ротор с магнитными полюсами создает вращающееся магнитное поле, которое пересекая обмотку статора, наводит в ней ЭДС. В синхронном генераторе ротор выполнен виде постоянного магнита или электромагнита.
Число полюсов ротора может быть два, четыре и т.д., но кратно двум. В бытовых электростанциях используется, как правило, ротор с двумя полюсами, чем и обусловлена частота вращения двигателя электростанции 3000 об/мин. Ротор, при запуске электростанции, создает слабое магнитное поле, но с увеличением оборотов, увеличивается и ЭДС в обмотке возбуждения. Напряжение с этой обмотки через блок автоматической регулировки (AVR) поступает на ротор, контролируя выходное напряжение за счет изменения магнитного поля. Например, подключенная индуктивная нагрузка размагничивает генератор и снижает напряжение, а при подключении емкостной нагрузки происходит подмагничивание генератора и повышение напряжения. Это называется «реакцией якоря».
Для обеспечения стабильности выходного напряжения необходимо изменять магнитное поле ротора путем регулирования тока в его обмотке, что и обеспечивается блоком AVR. Преимуществом таких генераторов является высокая стабильность выходного напряжения, а недостатком — возможность перегрузки по току, так как при завышенной нагрузке, регулятор может чрезмерно повысить ток в обмотке ротора. Еще к недостаткам синхронного генератора можно отнести наличие щеточного узла, который рано или поздно придется обслуживать. Благодаря такому способу регулировки, вне зависимости от изменения тока нагрузки и оборотов двигателя электростанции стабильность выходного напряжения генератора остается очень высокой, примерно ±1%.
Асинхронный электрогенератор
Асинхронный электрогенератор — асинхронная машина (двигатель) работающая в режиме торможения, ротор которой вращается с опережением, но в том же направлении что и магнитное поле статора. В зависимости от типа обмотки, ротор может быть короткозамкнутым либо фазным.
Вращающееся магнитное поле, созданное вспомогательной обмоткой статора, индуцирует на роторе магнитное поле, которое вращаясь вместе с ротором, наводит ЭДС в рабочей обмотке статора, так же как и в синхронном генераторе. Вращающееся магнитное поле остается всегда неизменным и не регулируемо, вследствие чего напряжение и частота на выходе генератора зависит от частоты оборотов ротора, а следовательно от стабильности работы двигателя электростанции.
Несмотря на простоту обслуживания, малую чувствительность к короткому замыканию и невысокую стоимость, асинхронные генераторы применяются достаточно редко, так как имеются ряд недостатков: асинхронный генератор всегда потребляет намагничивающий ток значительной силы, поэтому для его работы необходим источник реактивной мощности (конденсаторы), зависящий от активно-индуктивного характера нагрузки; ненадежность работы в экстремальных условиях; возбуждение асинхронного генератора зависит от случайных факторов и происходит, как правило, при скорости превышающей или равной синхронной; зависимость выходного напряжения и частоты тока от устойчивости работы двигателя и т.д.
Устройство генератора
Основными частями любого генератора являются: система магнитов (или, чаще всего, электромагнитов), создающих магнитное поле, и система проводников, пересекающих это магнитное поле. При пропускании магнитного поля через катушку магнитный поток принудит свободные электроны сместиться на концы проводника. Подобное смещение отрицательно заряженных частиц становится источником возникновения электродвижущей силы — ЭДС (напряжение). В результате у генератора при вращении его оси идёт постоянное воздействие магнитного потока на обмотки, на которых и возникает ЭДС.
Составные части генератора:
- коллектор,
- щетки,
- магнитные полюса,
- витки,
- вал,
- якорь.
Принцип действия генератора
Принцип действия генератора основан на явлении электромагнитной индукции, когда в проводнике, двигающемся в магнитном поле и пересекающем его магнитные силовые линии, индуктируется ЭДС. Следовательно, такой проводник можно использовать как источник электрической энергии.
Виды генераторов
- электрогенераторы,
- бензогенераторы,
- дизельгенераторы,
- инверторные генераторы.
Применение
Генераторы используются во многих сферах жизнедеятельности и производства, при различных условиях. Бензогенераторы незаменимы в случае отключения электричества в небольших загородных домах и дачах. Кроме того, их удобно применять в тех местах, где нет электроэнергии (отдаленные районы, горы, леса). Дизельные генераторы применяется в качестве основного или резервного источника электропитания. Инверторные генераторы незаменимы как источник дополнительного питания для электронного оборудования. Такие электростанции исспользуются организациями, использующими различную электронную технику.