Большая Энциклопедия Нефти и Газа
Индуктор генератора питается от полупроводникового преобразователя — статического тири-сторного возбудителя, с которым обмотка возбуждения соединяется через два контактных кольца. При разряде ЭМН с электродинамическим торможением ротора автоматический регулятор возбуждения поддерживает напряжение якоря генератора в заданных пределах. Система возбуждения осуществляет также гашение магнитного поля ( развозбуждение) генератора при сбросах нагрузки и аварийных отключениях агрегата. Разряд ЭМН, происходящий в режиме динамического торможения, длится несколько секунд. [1]
Индуктор генератора , выпрямители и обмотка переменного тока возбудителя размещены на одном валу. Питание неподвижной обмотки возбуждения возбудителя 9 осуществляется через регулятор напряжения 3 и выпрямитель 7 от обмотки переменного тока 1 подвозбудителя Ш, постоянные магниты 2 которого расположены на роторе. Обмотка переменного тока 4 синхронного генератора I рассчитана на номинальное напряжение и частоту. [2]
Для привода индуктора генератора ГД-312 в преобразователе ПД-305 применен электродвигатель АВ2 — 51 — 2В, вал которого соединен с валом гЕрсрэтора с помощью эластичной муфты. Питание электродвигателя осуществляется от сети переменного тока. [3]
Ванну помещают в индуктор генератора высокочастотных электромагнитных колебаний . Генератор включают, и на поверхности находящихся в растворе деталей под воздействием индуктированной электродвижущей силы возникают вихревые электрические токи ( токи Фуко), вызывающие их нагрев. Так как детали находятся в контакте с рабочим раствором, то на их горячей поверхности зарождается и по мере разогрева, активизируется процесс осаждения покрытий. В данном случае он начинается не через несколько часов после начала разогрева раствора, а через несколько секунд: после нажатия кнопки включения на пульте управления генератора ТВЧ практически сразу же на стальную деталь начинает осаждаться покрытие. Отличительной особенностью данного способа осаждения покрытий является то, что с возрастанием плотности загрузки необходимая для прохождения реакций удельная мощность снижается, тогда как в гальванических процессах повышение плотности загрузки влечет соответствующее увеличение потребной мощности генератора. Нагрев находящихся в растворе деталей токами высокой частоты экономически выгоднее всех других способов, так как тепло извлекается непосредственно из самой детали. [5]
Как соединяют катушки возбуждения в двух — и четырехполюсном индукторе генератора постоянного тока . [6]
Оно расположено под углом 90 относительно поля, создаваемого индуктором генератора . [7]
Процесс проводится в реакторе, представляющем собой кварцевую трубу, помещенную в индуктор ВЧ генератора . Кремниевые пластины, расположенные на графитовой подставке, нагреваются до 1200 С в атмосфере водорода, затем в реактор вводится соляная кислота, и происходит стравливание поверхностного слоя пластины для удаления нарушенной кристаллической структуры загрязнений. После этого прекращают подачу НС1 и вводят тетрахлорид. Осаждающиеся атомы мигрируют по поверхности пластины, пока не займут место в кристаллической решетке. В результате на поверхности пластины кремния осаждается моиокристаллической слой, называемый эпитаксиальным. Скорость наращивания примерно 1 мкм / мин. [9]
В случае применения подложек не стержневой, а сложной формы процесс осуществляется в реакторе, где источником нагрева образца служат токи высокой частоты. Индуктор генератора может помещаться внутрь аппарата, тогда последний изготавливается из металла. Реактор, помещаемый внутрь индуктора, обычно делают из кварцевого стекла. [10]
В обмотках якоря трехфазного синхронного генератора индуктируются токи, частота которых равна 50 Гц. Индуктор генератора имеет два полюса. [11]
При небольшой мощности генераторы выполняются двухполюсными. Индукторы генераторов средней и большой мощности имеют 4 ( рис. 4.2 о) и более полюсов. Катушки полюсов соединены между собой последовательно так, чтобы полярность их чередовалась. [13]
В свободно засыпанной насадке из фарфоровых шаров в различных местах располагались металлические шары-термозонды того же диаметра с зачеканенными в них термопарами. Трубу с насадкой можно было перемещать в индукторе генератора тока высокой частоты ( 30 кгц), что позволяло быстро ( за 3 — 15 сек) нагревать термозонды, расположенные в любом месте, до 130 — 140 С. [14]
Это вызовет уменьшение тока возбуждения, и возникший в обмотке индуктора генератора ток размыкания будет одного с ним направления в обмотках ВО и УО, в связи с чем уменьшится поле сердечника и ускорится отход вибратора от сердечника, вследствие чего увеличится частота колебаний вибратора. В данном регуляторе, подобно тому, что мы видели в генераторе трактора G-80, контакты регулятора за-шунтированы конденсатором, и ток размыкания при выходе из выравнивающей обмотки разветвляется в точке А по трем направлениям: в ускоряющую обмотку УО, добавочное сопротивление ДС и в конденсатор. [15]
Генератор тока. Устройство и прицип действия генератора.
Генератор тока преобразует механическую (кинетическую) энергию в электроэнергию. В энергетике пользуются только вращающимися электромашинными генераторами, основанными на возникновении электродвижущей силы (ЭДС) в проводнике, на который каким-либо образом действует изменяющееся магнитное поле. Ту часть генератора, которая предназначена для создания магнитного поля, называют индуктором, а часть, в которой индуцируется ЭДС – якорем.
Вращающуюся часть машины называют ротором, а неподвижную часть – статором. В синхронных машинах переменного тока индуктором обычно является ротор, а в машинах постоянного тока – статор. В обоих случаях индуктор представляет собой обычно двух- или многополюсную электромагнитную систему, снабженную обмоткой возбуждения, питаемой постоянным током (током возбуждения), но встречаются и индукторы, состоящие из системы постоянных магнитов. В индукционных (асинхронных) генераторах переменного тока индуктор и якорь не могут четко (конструктивно) различаться друг от друга (можно сказать, что статор и ротор одновременно являются и индуктором и якорем).
Более 95 % электроэнергии на электростанциях мира производится при помощи синхронных генераторов переменного тока. При помощи вращающегося индуктора в этих генераторах создается вращающееся магнитное поле, наводящее в статорной (обычно трехфазной) обмотке переменную ЭДС, частота которой точно соответствует частоте вращения ротора (находится в синхронизме с частотой вращения индуктора). Если индуктор, например, имеет два полюса и вращается с частотой 3000 r/min (50 r/s), то в каждой фазе статорной обмотки индуцируется переменная ЭДС частотой 50 Hz. Конструктивное исполнение такого генератора упрощенно изображено на рис. 1.
Рис. 1. Принцип устройства двухполюсного синхронного генератора. 1 статор (якорь), 2 ротор (индуктор), 3 вал, 4 корпус. U-X, V-Y, W-Z – размещенные в пазах статора части обмоток трех фаз
Магнитная система статора представляет собой спрессованный пакет тонких стальных листов, в пазах которого располагается статорная обмотка. Обмотка состоит из трех фаз, сдвинутых в случае двухполюсной машины друг относительно друга на 1/3 периметра статора; в фазных обмотках индуцируются, следовательно, ЭДС, сдвинутые друг относительно друга на 120o. Обмотка каждой фазы, в свою очередь, состоит из многовитковых катушек, соединенных между собой последовательно или параллельно. Один из наиболее простых вариантов конструктивного исполнения такой трехфазной обмотки двухполюсного генератора упрощенно представлен на рис. 2 (обычно число катушек в каждой фазе больше, чем показано на этом рисунке). Те части катушек, которые находятся вне пазов, на лобовой поверхности статора, называются лобовыми соединениями.
Рис. 2. Простейший принцип устройства статорной обмотки трехфазного двухполюсного синхронного генератора в случае двух катушек в каждой фазе. 1 развертка поверхности магнитной системы статора, 2 катушки обмотки, U, V, W начала фазных обмоток, X, Y, Z концы фазных обмоток
Полюсов индуктора и, в соответствии с этим, полюсных делений статора, может быть и больше двух. Чем медленнее вращается ротор, тем больше должно быть при заданной частоте тока число полюсов. Если, например, ротор вращается с частотой 300 r/min, то число полюсов генератора, для получения частоты переменного тока 50 Hz, должно быть 20. Например, на одной из крупнейших гидроэлектростанций мира, ГЭС Итайпу (Itaipu, см. рис. 4) генераторы, работающие на частоте 50 Hz, исполнены 66-полюсными, а генераторы, работающие на частоте 60 Hz – 78-полюсными.
Обмотка возбуждения двух- или четырехполюсного генератора размещается, как показано на рис. 1, в пазах массивного стального сердечника ротора. Такая конструкция ротора необходима в случае быстроходных генераторов, работающих при частоте вращения в 3000 или 1500 r/min (особенно для турбогенераторов, предназначенных для соединения с паровыми турбинами), так как при такой скорости на обмотку ротора действуют большие центробежные силы. При большем числе полюсов каждый полюс имеет отдельную обмотку возбуждения (рис. 3.12.3). Такой явнополюсный принцип устройства применяется, в частности, в случае тихоходных генераторов, предназначенных для соединения с гидротурбинами (гидрогенераторов), работающих обычно при частоте вращения от 60 r/min до 600 r/min.
Очень часто такие генераторы, в соответствии с конструктивным исполнением мощных гидротурбин, выполняются с вертикальным валом.
Рис. 3. Принцип устройства ротора тихоходного синхронного генератора. 1 полюс, 2 обмотка возбуждения, 3 колесо крепления, 4 вал
Обмотку возбуждения синхронного генератора обычно питают постоянным током от внешнего источника через контактные кольца на валу ротора. Раньше для этого предусматривался специальный генератор постоянного тока (возбудитель), жестко связанный с валом генератора, а в настоящее время используются более простые и дешевые полупроводниковые выпрямители. Встречаются и системы возбуждения, встроенные в ротор, в которых ЭДС индуцируется статорной обмоткой. Если для создания магнитного поля вместо электромагнитной системы использовать постоянные магниты, то источник тока возбуждения отпадает и генератор становится значительно проще и надежнее, но в то же время и дороже. Поэтому постоянные магниты применяются обычно в относительно маломощных генераторах (мощностью до нескольких сотен киловатт).
Конструкция турбогенераторов, благодаря цилиндрическому ротору относительно малого диаметра, очень компактна. Их удельная масса составляет обычно 0,5…1 kg/kW, и их номинальная мощность можеь достигать 1600 MW. Устройство гидрогенераторов несколько сложнее, диаметр ротора велик и удельная масса их поэтому обычно 3,5…6 kg/kW. До настоящего времени они изготовлялись номинальной мощностью до 800 MW.
При работе генератора в нем возникают потери энергии, вызванные активным сопротивлением обмоток (потери в меди), вихревыми токами и гистерезисом в активных частях магнитной системы (потери в стали) и трением в подшипниках вращающихся частей (потери на трение). Несмотря на то, что суммарные потери обычно не превышают 1…2 % мощности генератора, отвод тепла, освобождающегося в результате потерь, может оказаться затруднительным. Если упрощенно считать, что масса генератора пропорциональна его мощности, то его линейные размеры пропорциональны кубическому корню мощности, а поверхностные размеры – мощности в степени 2/3. С увеличением мощности, следовательно, поверхность теплоотвода растет медленнее, чем номинальная мощность генератора. Если при мощностях порядка нескольких сотен киловатт достаточно применять естественное охлаждение, то при бoльших мощностях необходимо перейти на принудительную вентиляцию и, начиная приблизительно со 100 MW, использовать вместо воздуха водород. При еще больших мощностях (например, более 500 MW) необходимо дополнить водородное охлаждение водным. У крупных генераторах надо специально охлаждать и подшипники, обычно используя для этого циркуляцию масла.
Тепловыделение генератора можно значительно уменьшить путем применения сверхпроводящих обмоток возбуждения. Первый такой генератор (мощностью 4 MVA), предназначенный для применения на судах, изготовила в 2005 году немецкая электротехническая фирма Сименс (Siemens AG) [3.24]. Номинальное напряжение синхронных генераторов, в зависимости от мощности, находится обычно в пределах от 400 V до 24 kV. Использовались и более высокие номинальные напряжения (до 150 kV), но чрезвычайно редко. Кроме синхронных генераторов сетевой частоты (50 Hz или 60 Hz) выпускаются и высокочастотные генераторы (до 30 kHz) и генераторы пониженной частоты (16,67 Hz или 25 Hz), используемые на электрифицированных железных дорогах некоторых европейских стран. К синхронным генераторам относится, в принципе, и синхронный компенсатор, представляющий собой синхронный двигатель, работающий на холостом ходу и отдающий в высоковольтную распределительную сеть реактивную мощность. При помощи такой машины можно покрыть потребление реактивной мощности местных промышленных электропотребителей и освободить основную сеть энергосистемы от передачи реактивной мощности.
Кроме синхронных генераторов относительно редко и при относительно малых мощностях (до нескольких мегаватт) могут использоваться и асинхронные генераторы. В обмотке ротора такого генератора ток индуцируется магнитным полем статора, если ротор вращается быстрее, чем статорное вращающееся магнитное поле сетевой частоты. Необходимость в таких генераторах возникает обычно тогда, когда невозможно обеспечить неизменную скорость вращения первичного двигателя (например, ветряной турбины, некоторых малых гидротурбин и т. п.).
У генератора постоянного тока магнитные полюсы вместе с обмоткой возбуждения располагаются обычно в статоре, а обмотка якоря – в роторе. Так как в обмотке ротора при его вращении индуцируется переменная ЭДС, то якорь необходимо снабжать коллектором (коммутатором), при помощи которого на выходе генератора (на щетках коллектора) получают постоянную ЭДС. В настоящее время генераторы постоянного тока применяются редко, так как постоянный ток проще получать при помощи полупроводниковых выпрямителей.
К электромашинным генераторам относятся и электростатические генераторы, на вращающейся части которых путем трения (трибоэлектрически) создается электрический заряд высокого напряжения. Первый такой генератор (вращаемый вручную серный шар, который электризовался при трении об руку человека) изготовил в 1663 году мэр города Магдебурга (Magdeburg, Германия) Отто фон Гюрике (Otto von Guericke, 1602–1686). В ходе своего развития такие генераторы позволяли открывать многие электрические явления и закономерности. Они и сейчас не потеряли своего значения как средств проведения экспериментальных исследований по физике.
Первый магнитоэлектрический генератор изготовил 4 ноября 1831 года профессор Лондонского Королевского института (Royal Institution) Майкл Фарадей (Michael Faraday, 1791–1867). Генератор состоял из подковообразного постоянного магнита и медного диска, вращающегося между магнитными полюсами (рис. 3.12.4). При вращении диска между его осью и краем индуцировалась постоянная ЭДС. По такому же принципу устроены более совершенные униполярные генераторы, находящие применение (хотя относительно редко) и в настоящее время.
Рис. 4. Принцип устройства униполярного генератора Майкла Фарадея. 1 магнит, 2 вращающийся медный диск, 3 щетки. Рукоятка диска не показана
Майкл Фарадей родился в бедной семье и после начальной школы, в возрасте 13 лет, поступил учеником переплетчика книг. По книгам он самостоятельно продолжал свое образование, а по Британской энциклопедии ознакомился с электричеством, изготовил электростатический генератор и лейденскую банку. Для расширения своих знаний он начал посещать публичные лекции по химии директора Королевского института Гемфри Дэви (Humphrey Davy, 1778–1829), а в 1813 году получил должность его ассистента. В 1821 году он стал главным инспектором этого института, в 1824 году – членом Королевского общества (Royal Society) и в 1827 году – профессором химии Королевского института. В 1821 году он начал свои знаменитые опыты по электричеству, в ходе которых предложил принцип действия электродвигателя, открыл явление электромагнитной индукции, принцип устройства магнитоэлектрического генератора, закономерности электролиза и много других основополагающих физических явлений. Спустя год после вышеописанного опыта Фарадея, 3 сентября 1832 года, парижский механик Ипполит Пикси (Hippolyte Pixii, 1808–1835) изготовил по заказу и под руководством основоположника электродинамики Андре Мари Ампера (Andre Marie Ampere, 1775–1836) генератор с вращаемым вручную, как у Фарадея, магнитом (рис. 5). В якорной обмотке генератора Пикси индуцируется переменная ЭДС. Для выпрямления получаемого тока к генератору вначале пристроили открытый ртутный коммутатор, переключающий полярность ЭДС при каждом полуобороте ротора, но вскоре он был заменен более простым и безопасным цилиндрическим щеточным коллектором, изображенным на рис. 5.
Рис. 5. Принцип устройства магнитоэлектрического генератора Ипполита Пикси (a), график индуцируемой ЭДС (b) и график получаемой при помощи коллектора пульсирующей постоянной ЭДС (c). Рукоятка и конусная зубчатая передача не показаны
Генератор, построенный по принципу Пикси, впервые применил в 1842 году на своем заводе в Бирмингеме (Birmingham) для электропитания гальванических ванн английский промышленник Джон Стивен Вульрич (John Stephen Woolrich, 1790–1843), использовав в качестве приводного двигателя паровую машину мощностью 1 л. с. Напряжение его генератора составляло 3 V, номинальный ток – 25 A и кпд – около 10 %. Такие же, но более мощные генераторы быстро начали внедряться и на других гальванических предприятиях Европы. В 1851 году немецкий военный врач Вильгельм Йозеф Зинштеден (Wilhelm Josef Sinsteden, 1803–1891) предложил использовать в индукторе вместо постоянных магнитов электромагниты и питать их током от меньшего вспомогательного генератора; он же обнаружил, что кпд генератора увеличится, если стальной сердечник электромагнита изготовить не массивным, а из параллельных проволок. Однако идеи Зинштедена стал реально использовать только в 1863 году английский электротехник-самоучка Генри Уайльд (Henry Wilde, 1833–1919), который предложил, среди прочих нововведении, насадить машину-возбудитель (англ. exitatrice) на вал генератора. В 1865 году он изготовил генератор невиданной доселе мощности в 1 kW, при помощи которого он мог демонстрировать даже плавку и сварку металлов.
Важнейшим усовершенствованием генераторов постоянного тока стало их самовозбуждение, принцип которого запатентовал в 1854 году главный инженер государственных железных дорог Дании Сёрен Хьёрт (Soren Hjorth, 1801–1870), но не нашедшее в то время практического применения. В 1866 году этот принцип снова открыли независимо друг от друга несколько электротехников, в том числе уже упомянутый Г. Уайльд, но широко известным он стал в декабре 1866 года, когда немецкий промышленник Эрнст Вернер фон Сименс (Ernst Werner von Siemens, 1816–1892) применил его в своем компактном и высокоэффективном генераторе. 17 января 1867 года в Берлинской академии наук был прочитан его знаменитый доклад о динамоэлектрическом принципе (о самовозбуждении). Самовозбуждение позволило отказатьса от вспомогательных генераторов возбуждения (от возбудителей), что обусловило возможность выработки намного более дешевой электроэнергии в больших количествах. По этой причине год 1866 часто считают годом зарождения электротехники сильного тока. В первых самовозбуждающихся генераторах обмотку возбуждения включали, как у Сименса, последовательно (сериесно) с якорной обмоткой, но в феврале 1867 года английский электротехник Чарлз Уитстон (Charles Wheatstone, 1802–1875) предложил параллельное возбуждение, позволяющее лучше регулировать ЭДС генератора, к которому он пришел еще до сообщений о последовательном возбуждении, открытом Сименсом (рис. 6).
Рис. 6. Развитие систем возбуждения генераторов постоянного тока. a возбуждение при помощи постоянных магнитов (1831), b внешнее возбуждение (1851), c последовательное самовозбуждение (1866), d параллельное самовозбуждение (1867). 1 якорь, 2 обмотка возбуждения. Регулировочные реостаты тока возбуждения не показаны
Необходимость в генераторах переменного тока возникла в 1876 году, когда работающий в Париже русский электротехник Павел Яблочков (1847–1894) стал освещать городские улицы при помощи изготовляемых им дуговых ламп переменного тока (свечей Яблочкова). Первые необходимые для этого генераторы создал парижский изобретатель и промышленник Зеноб Теофиль Грамм (Zenobe Theophile Gramme, 1826–1901). С началом массового производства ламп накаливания в 1879 году переменный ток на некоторое время потерял свое значение, но снова обрел актуальность в связи с ростом дальности передачи электроэнергии в середине 1880-х годов. В 1888–1890 годах владелец собственной научно-исследовательской лаборатории Тесла-Электрик (Tesla-Electric Co., Нью-Йорк, США) эмигрировавший в США сербский электротехник Никола Тесла (Nikola Tesla, 1856–1943) и главный инженер фирмы АЭГ (AEG, Allgemeine Elektricitats-Gesellschaft) эмигрировавший в Германию русский электротехник Михаил Доливо-Добровольский (1862–1919) разработали трехфазную систему переменного тока. В результате началось производство все более мощных синхронных генераторов для сооружаемых тепло- и гидроэлектростанций.
Важным этапом в развитии турбогенераторов может считаться разработка в 1898 году цилиндрического ротора совладельцем швейцарского электротехнического завода Браун, Бовери и компания (Brown, Boveri & Cie., BBC) Чарлзом Эженом Ланселотом Брауном (Charles Eugen Lancelot Brown, 1863–1924). Первый генератор с водородным охлаждением (мощностью 25 MW) выпустила в 1937 году американская фирма Дженерал Электрик (General Electric), а с внутрипроводным водяным охлаждением – в 1956 году английская фирма Метрополитен Виккерс (Metropolitan Vickers).
Индукционные генераторы
ИНДУКЦИОННЫЙ ГЕНЕРАТОР — это преобразователь механической энергии в электрическую. Нужен электромеханический индукционный генератор? Росиндуктор — генератор от профессионалов с нашего склада. Индукционные генераторы работают при возникновении переменного магнитного поля в катушке. Катушка создаёт переменное магнитное поле, вектор которого меняется с заданной генератором частотой. Созданные вихревые токи, индуцированные магнитным полем, производят нагрев металлического элемента, который передаёт энергию теплоносителю.
Принцип действия индукционного генератора
Принцип действия индукционного генератора основан на законе электромагнитной индукции — индуцирование электродвижущей силы в прямоугольном контуре (проволочной рамке), находящейся в однородном вращающемся магнитном поле, или наоборот, прямоугольный контур вращается в однородном неподвижном магнитном поле. Если в контуре вращается однородное магнитное поле с равномерной угловой скоростью, то в нем индуктируется синусоидальная электродвижущая сила.
Индукционный генератор переменного тока
Это электрическая машина, преобразующая механическую энергию в электрическую энергию переменного тока, например, за счет вращения проволочной катушки в магнитном поле, или, наоборот, за счет вращения магнита. До тех пор, пока силовые линии магнитного поля пересекают проводящую катушку, в ней индуцируется электрический ток. Индуцированный электрический ток течет таким образом, что его поле отталкивает магнит, когда рамка приближается к нему, и притягивает, когда рамка удаляется. Каждый раз, когда рамка изменяет ориентацию относительно полюсов магнита, электрический ток также изменяет свое направление на противоположное. Все то время, пока источник механической энергии вращает проводник (или магнитное поле), генератор будет вырабатывать переменный электрический ток.
Устройство индукционного генератора
По конструкции выделяют генераторы:
- с неподвижными магнитными полюсами и вращающимся якорем,
- с вращающимися магнитными полюсами и неподвижным статором.
Генераторы с неподвижными магнитными полюсами используются чаще, поскольку при неподвижной статорной обмотке нет необходимости снимать с помощью скользящих контактов (щеток) и контактных колец с ротора большой ток высокого напряжения. Статор (неподвижная часть) собирается из отдельных железных листов, изолированных друг от друга, а на внутренней поверхности статора имеются пазы, куда вкладываются провода статорной обмотки генератора. Ротор (подвижная часть) обычно изготавливают из сплошного железа, а полюсные наконечники магнитных полюсов ротора собирают из листового железа. Для создания максимально возможной магнитной индукции при вращении между статором и полюсными наконечниками ротора желателен минимальный зазор, а геометрическую форму полюсных наконечников подбирают такой, чтобы вырабатываемый генератором ток был наиболее близок к синусоидальному. На сердечники полюсов садят катушки возбуждения, питаемые постоянным током, который подводится с помощью щеток к контактным кольцам, расположенным на валу генератора.
Электромеханический индукционный генератор
Магнитное поле в электромеханическом генераторе создается с помощью постоянного или электромагнита, переменная электродвижущая сила индуцируется в обмотке. В промышленных генераторах поле создается вращающимся магнитом, обмотки остаются неподвижными.
Генератор индукционного тока
Генераторы индукционного тока имеют широкую область применения: чаще всего их используют в местах, в которых требуется непрерывная подача электроэнергии, таких как медицинские учреждения, морозильные склады и т.п. также такие генераторы могут быть востребованы на строительных площадках и для электрификации загородных домов.
Генератор индукционного нагрева
Индукционный нагрев — это нагревание электропроводящих материалов электрическими токами, которые индуцируются переменным магнитным полем. Генераторы индукционного нагрева применяются для:
Генератор переменного тока
Основным источником электрической энергии в системе электроснабжения является генератор переменного тока, который приводится во вращение от двигателя трактора посредством ременной передачи. Специальный узел генератора — выпрямитель на полупроводниковых диодах (вентилях) — обеспечивает преобразование переменного тока в постоянный. Такие генераторы называются вентильными.
Тракторы комплектуются вентильными генераторами с электромагнитным возбуждением. В основном это трех- и пятифазные бесщеточные генераторы индукторного типа с неподвижной обмоткой возбуждения. Применяют также трехфазные вентильные синхронные генераторы с вращающейся обмоткой возбуждения, которая получает питание через щетки и контактные кольца. В настоящее время на ряде малых тракторов появился новый класс генераторов переменного тока со встроенными двумя вентиляторами на роторе и с закрытым щеточным узлом.
Установленную величину напряжения системы электроснабжения при изменении частоты вращения ротора генератора и токовой нагрузки поддерживает регулятор напряжения.
Комплект генератора переменного тока с выпрямителем и регулятором напряжения называют генераторной установкой.
Характерной особенностью современных генераторных установок является объединение в одной конструкции генератора переменного тока, выпрямителя и полупроводникового интегрального регулятора напряжения. В этом случае упрощается монтаж генераторной установки на тракторе, снижается трудоемкость технического обслуживания, уменьшается расход монтажных проводов, снижается вероятность возникновения аварийных режимов из-за замыканий в проводке или ошибок в монтаже.
Основными параметрами генераторных установок являются номинальные напряжение и мощность генератора, уровень и диапазон регулируемого напряжения, качество электрической энергии, диапазон частот вращения и передаточное число привода генератора.
Генератор должен обеспечивать отдачу электрической энергии даже при минимальной частоте вращения коленчатого вала ротора, соответствующей минимальной частоте вращения коленчатого вала двигателя в режиме холостого хода, этого можно достигнуть за счет повышения передаточного числа ременной передачи привода генератора. Однако при передаточном числе больше трех снижается срок службы ремней и увеличиваются механические нагрузки на вращающиеся узлы и детали генератора и на подшипники.
Рис. 1. Конструктивная схема генератора индукторного типа: 1 — обмотка возбуждения; 2 — магнитная система индуктора (втулка с фланцем); 3 — вал; 4 — ротор; 5 — статор; 6 — крышки; 7 — обмотка статора; 8 — подшипник
Тракторный индукторный генератор (рис. 1) представляет собой бесконтактную, одноименно-полюсную электрическую машину переменного тока с односторонним электромагнитным возбуждением. Стальная звездочка ротора 4 вращается вместе с валом 5, который проходит внутри неподвижной втулки 2. На втулке закреплена обмотка возбуждения 1, а на зубцах статора 5 — обмотка 7.
При прохождении постоянного тока через обмотку возбуждения в магнитной цепи генератора возникает магнитный поток, силовые линии которого на рис. 1 показаны штриховой линией. Поток замыкается через воздушный зазор между втулкой 2 и валом 3, звездочку ротора, рабочий воздушный зазор между ротором и статором, пакет статора 5, крышки 6 и толстостенную шайбу или фланец втулки 2.
Все зубцы звездочки ротора имеют одну полярность. Изменение магнитного потока связано с изменением магнитной проводимости воздушного зазора под зубцами статора. При вращении ротора изменяется положение зубцов его звездочки по отношению к зубцам статора. Поток в зубце статора достигает максимального значения Фmax, когда оси зубцов ротора и статора совпадают, и уменьшается до минимума Фmin, после поворота на 180 электрических градусов, когда ось зубца статора совпадет с осью впадины звездочки ротора. Следовательно, магнитный поток в зубцах статора является пульсирующим, т.е. изменяется только по величине без изменения направления.
Магнитный поток имеет постоянную и переменную составляющие. Постоянная составляющая в наведении электродвижущей силы в катушках статора не участвует, однако загружает магнитопровод и ухудшает использование материалов генератора. ЭДС в катушках статора наводит только переменная составляющая магнитного потока. Величина индуктируемой ЭДС зависит от величины магнитного потока, числа витков обмотки статора и частоты вращения n ротора.
Чем больше число витков, тем при меньшей частоте вращения можно получить требуемое напряжение генератора. Частота f переменной ЭДС пропорциональна частоте вращения n ротора и числу зубцов Zp звездочки ротора: f=Zpn/60.
Как правило, звездочка ротора имеет шесть зубцов и частота переменной ЭДС f=n/10.
Обмотка каждой фазы может иметь несколько катушек, соединенных последовательно, параллельно или смешанно. Фазы обмотки статора соединяют в многолучевую звезду или в многоугольник.
В трехфазном генераторе имеются три группы катушек, расположенные на зубцах статора таким образом, что наводимые в них ЭДС и напряжения Ua, Ub, и Uc, смещены на 120° (рис. 2).
Рис. 2. Изменение трехфазного напряжения во времени
Катушки фаз, начала и концы которых условно обозначены буквами А, В, С и а, b, с (см. рис. 2), расположены на соседних зубцах статора.
При соединении фаз в звезду концы всех фаз соединяют в общей нулевой точке, которую изолируют в генераторе или выводят отдельным нулевым проводом. Начала фаз соединяют с выпрямителем. При соединении фаз в треугольник (см. рис. 1) конец а первой фазы соединен с началом В второй фазы, конец в второй фазы — с началом С третьей фазы, а конец с третьей фазы — с началом А первой фазы. К точкам соединения фаз подключены линейные провода, подводящие напряжение к выпрямителю.
Индукторные генераторы имеют закрытую конструкцию. Охлаждающий воздух обдувает генератор только снаружи, а во внутренние полости не поступает. Это предотвращает попадание пыли и продуктов сельскохозяйственного производства в области расположения обмоток статора и возбуждения, выпрямителя и встроенного в генератор интегрального регулятора напряжения.
Рис. 3. Индукторный генератор: а — конструкция; б — электрическая схема; в — схема обмотки статора; 1 — лапа крепежная; 2 — блок регулятора напряжения; 3 — вывод В; 4 — вывод Д; 5 — защитный кожух блока с интегральным регулятором напряжения; 6 — задняя крышка; 7 — пакет статора; 8 — пакет ротора; 9 — катушка возбуждения; 10 — передняя крышка; 11 — выпрямительный блок; 12 — шкив с вентилятором; 13 — стопорная шайба; 14 — гайка; 15 — шпилька фасонная стяжная; 16 — болт крепления лапы
Пакет статора 7 (рис. 3) индукторного генератора набран из стальных пластин, скрепленных заклепками или сваркой. Статор имеет девять зубцов, на которых размещены катушки статорной обмотки. Обмотка статора ОФ соединена в треугольник. Катушки в фазах соединены последовательно. Концы фаз гибким монтажным проводом выведены па выпрямительный блок. С обеих сторон статора выполнены проточки, служащие посадочными местами для крышек генератора.
Передняя крышка 10 имеет форму стакана. В крышке размещен индуктор, включающий втулку, фланец и катушку обмотки возбуждения ОВ. Обмотка возбуждения намотана на пластмассовый каркас, надетый на втулку индуктора. Один конец обмотки возбуждения гибким монтажным проводом выведен через промежуточный вывод на вывод Ш интегрального регулятора напряжения, а другой — на вывод Д генератора.
Ротор вращается в шарикоподшипниках, не требующих добавления или замены смазочного материала в течение всего срока службы генератора. Шарикоподшипники размещены в передней 10 и задней 6 крышках. Крышка 10, втулка и фланец индуктора являются частью магнитопровода генератора, поэтому изготовлены из магнито-мягкой стали. Крышка 6 выполнена из алюминиевого сплава. На переднем конце вала гайкой 14 со стопорной шайбой закреплен шкив 12 с вентилятором.
Силовой выпрямительный блок размещен на крышке 10. В теплоотвод блока запрессованы три диода прямой полярности. Корпус выпрямительного блока и теплоотвод отлиты из алюминиевого сплава. Теплоотвод изолирован от корпуса тонкой электроизоляционной прокладкой из слюды и крепится к корпусу тремя изолированными винтами. Для лучшего охлаждения корпус выпрямителя имеет ребра. Силовой выпрямитель собран по трехфазной мостовой схеме выпрямления. Плюсовой вывод 3 (вывод В) генератора соединен с теплоотводом выпрямителя.
На задней крышке 6 установлена выводная колодка, где размешены три болта для присоединения фазных выводов обмотки статора и выводов выпрямительного блока и диоды дополнительного выпрямителя обмотки возбуждения. Блок выпрямителя ОВ одновременно служит для крепления элементов интегрального регулятора напряжения. Дополнительный выпрямитель состоит из трех диодов, запрессованных в теплоотвод.
Интегральный регулятор напряжения размещен на алюминиевой пластине — теплоотводе. В пространстве между пластиной и пластмассовыми корпусом блока выпрямителя ОВ расположены резисторы подпитки, переключатель посезонной регулировки (зима З — лето Л) и конденсатор фильтра. Блок с регуляторами напряжения за¬крыт крышкой таким образом, что через отверстия в её торцовой стенке выступают болты выводов В и Д и ручка переключателя посезонной регулировки.
В начале вращения при отключенной аккумуляторной батарее в схемах, где обмотка возбуждения подсоединена к выводу силового выпрямителя, а также в схемах с дополнительным выпрямителем ОВ генератор работает на самовозбуждении. Процесс самовозбуждения возможен благодаря остаточному магнитному потоку, который наводит в обмотках статора ЭДС. Выпрямленное напряжение от этой ЭДС подается на обмотку возбуждения, увеличивая магнитный поток и ЭДС в обмотке статора. Нарастание ЭДС и выпрямленного напряжения при самовозбуждении происходит лавинообразно. Однако в индукторных генераторах самовозбуждение затруднено из-за наличия в магнитной системе двух воздушных зазоров.
Для обеспечения надежного самовозбуждения в генераторах с магнитно-электромагнитным возбуждением устанавливают постоянные магниты, которые обеспечивают стабильное самовозбуждение. Кроме того, постоянные магниты способствуют уменьшению магнитного потока Фmin до нуля и даже изменению направления магнитного потока, что улучшает использование материалов и приближает индукторную машину по характеристикам к альтернативным (генераторам с клювообразным ротором).
Гексаферритные магниты залиты в специальном алюминиевом каркасе с шестью клювообразными выступами, расположенными между зубцами пакета ротора 7 (рис. 4).
Рис. 4. Генератор с магнитно-электромагнитным возбуждением: 1 — задняя крышка; 2 — втулка ротора; 3 — крышка регулятора напряжения; 4 и 13 — шарикоподшипники; 5 — выпрямительный блок; 6 — стяжной болт; 7 — ротор; 8 — статор; 9 — катушка возбуждения; 10 — вентилятор; 11 — крышка подшипника; 12 — шкив; 14 — передняя крышка (со стороны привода)
Вентильные генераторы с клювообразным ротором (рис. 5) представляют собой синхронную электрическую машину со встроенным полупроводниковым выпрямителем.
Рис. 5. Конструктивная схема синхронного генератора с клювообразным ротором: 1 — втулка; 2 — обмотка возбуждения; 3 — клювообразные полюсы; 4 — статор; 5 — обмотка статора; 6 — щетка; 7 — контактные кольца
Основными узлами и деталями генератора являются: статор 4; ротор с клювообразными полюсами 3, втулкой 1 и сосредоточенной вращающейся обмоткой 2 возбуждения; крышки со стороны привода и контактных колец; контактные кольца 7; щетки 6; шкив; вентилятор и выпрямительный блок.
Пакет статора набран из пластин электротехнической стали. В пазах статора размещены катушки трехфазной (или с большим числом фаз) обмотки. Число пазов на полюс и фазу для вентильных генераторов с клювообразным ротором
где Z1 — число пазов статора; 2р — число полюсов генератора; m — число фаз генератора.
Ток к вращающейся обмотке 2 возбуждения подводится через щетки 6 и контактные кольца 7. Вал ротора вращается в двух шарикоподшипниках, установленных в крышках. Крышки расположены по торцам статора и стянуты винтами.
При работе генератора мимо каждого зубца статора проходят попеременно северный и южный полюсы 3 клювообразного ротора, поэтому рабочий магнитный поток изменяется как по величине, так и по направлению, а в катушках фазных обмоток индуктируется переменная ЭДС. Применение клювообразных полюсов определенной формы обеспечивает близкое по форме к синусоиде изменение ЭДС.
Рис. 6. Конструкция компакт-генератора: 1 — щеткодержатель; 2 — интегральный регулятор Я-212; 3 — пластмассовая крышка; 4 — крышка генератора со стороны контактных колец; 5 — вентиляторы; 6 — ротор; 7 — статор в сборе; 8 — передняя крышка генератора; 9 — шкив; 10 — стальное тормозное кольцо; 11 — пластмассовое тормозное кольцо
Компакт-генератор — генератор нового поколения (рис. 6) со встроенными двумя вентиляторами 5, смонтированными на лобовых частях ротора 6 и с ажурными крышками 4 и 8, через которые протягивается воздух для охлаждения генератора, встроенным интегральным регулятором напряжения в щеткодержатель 1 и выпрямительным блоком. Контактные кольца и щетки закрыты пластмассовой крышкой 3, защищающей их от грязи, пыли и влаги. Наружные обоймы подшипников со стороны контактных колец и шкива 9 прижаты пластмассовым и стальным тормозными кольцами 11 и 10, которые повышают ресурс подшипников. Этот генератор имеет три дополнительных диода и выпрямитель на силовых диодах со стабилитронным эффектом, что улучшает качество бортовой сети.
Выпрямители. Переменный ток тракторных генераторов выпрямляется кремниевыми полупроводниковыми диодами. Диоды имеют два вывода и пропускают ток только от анодного вывода к катодному, когда к аноду подведен положительный потенциал, а к катоду — отрицательный. В противоположном направлении диоды тока не пропускают, если обратное напряжение не превышает допустимого значения.
Рис. 7. Выпрямители: а — однополупериодный однофазного тока; б — двухполупериодный однофазного тока; в — однополупериодный трехфазного тока; г — двухполупериодный трехфазного тока
В выпрямителях генераторов устанавливают диоды прямой и обратной полярности. У диода прямой полярности с корпусом соединен катод, а у диода обратной полярности — анод. В зависимости от числа фаз генератора применяют трех — и пятифазные выпрямители. По форме выпрямленного напряжения различают одно- и двухполупериодные выпрямители. Однополупериодное выпрямление тока однофазного источника G переменного тока обеспечивает один диод VD (рис. 7, а), который включается последовательно с нагрузкой R.
Для двухполупериодного выпрямления однофазного тока собирают мостовой выпрямитель из четырех диодов VD1-VD4 (рис. 7, б). Положительная полуволна переменного напряжения открывает вентили VD1 и VD4. Во втором полупериоде открыты вентили VD2 и VD3. В течение всего времени работы генератора с мостовым выпрямителем на нагрузку R подается напряжение Ud одного знака.
Если в каждую фазу генератора включено по одному диоду VD1, VD2 и VD3 (рис. 7, в), то можно получить однополупериодный выпрямитель трехфазного тока. Каждый диод выпрямителя проводит ток только в течение 1/3 периода, когда напряжение к нему приложено в прямом направлении.
Двухполупериодный выпрямитель трехфазного тока имеет три пары диодов VD1-VD6 (рис. 7, г). Одно плечо выпрямителя образуют диоды VD1-VD3 прямой полярности, которые катодами соединены с положительным выводом вентильного генератора. Во втором плече выпрямителя установлены диоды VD4-VD6 обратной полярности. Их диоды соединены с «массой».
В процессе выпрямления переменного тока диоды прямой и обратной полярности попарно соединяются между собой и с одной из фаз генератора. В проводящем направлении работает один из диодов VD1, VD2, VD3, у которого анод имеет наиболее высокий потенциал, а в группе диодов VD4-VD6 — диод с самим низким потенциалом. В момент времени t1, когда в фазе А напряжение положительно и максимально, а в фазах В и С напряжения отрицательны и равны, ток в нагрузку R поступает через открытый диод VD1 и два диода VD5 и VD6. В момент времени t2, когда напряжение фазы С равно нулю, в фазе В — положительно, а в фазе А — отрицательно, ток проводят диоды VD2 и VD4. Остальные диоды тока не пропускают.
Частота пульсаций выпрямленного двухполупериодным трехфазным выпрямителем напряжения Ud в 6 раз больше частоты переменного тока fп=6f=0,1Zpn.
Минимальное, максимальное и среднее значения выпрямленного напряжения равны соответственно l,5Um, l,73Um и l,65Um (Um — амплитудные значения напряжения фаз). Пульсация выпрямленного напряжения Ud=0,23Um=0,l39Ud, что при среднем значении выпрямленного напряжения 14В составляет 1,95В.
Рис. 8. Характеристики тракторного генератора индукторного: а — холостого хода; б – токоскоростная
Зависимость выпрямленного напряжения Ud (рис. 8, а) от силы тока возбуждения Iв при отключенной нагрузке и постоянной частоте вращения ротора называют характеристикой холостого хода. В режиме холостого хода выпрямленное напряжение Ud равно ЭДС Ed. Характеристику 1 имеют генераторы с ненасыщенной магнитной системой. При насыщении зубцов статора и ротора уменьшается амплитуда переменной составляющей магнитного потока, что приводит к снижению ЭДС Ed при больших токах возбуждения (характеристика 2).
Токоскоростная характеристика Id=f(n) (рис. 8, б) снимается при Ud=const и Iв=const. Контрольными точками для токоскоростной характеристики являются значения силы тока при начальной частоте вращения генератора n0, когда в режиме холостого хода выпрямленное напряжение Ud достигает номинального значения, расчетная сила тока нагрузки Idp и максимальная сила тока Idmax соответственно при частотах вращения np и nmax. Расчетная сила тока Idp и частота вращения np определяются в точке касания токоскоростной характеристики 1 и прямой 2, проведенной из начала координат.
Для вентильных генераторов характерно самоограничение силы тока. Самоограничение проявляется в меньшей степени при увеличении частоты вращения n0. С уменьшением n0, np и увеличением Idmax улучшаются условия обеспечения положительного зарядного баланса на тракторе. Однако при этом увеличиваются габаритные размеры и масса генератора.
Благодаря самоограничению силы тока в системах электроснабжения вентильных генераторов не применяют ограничители тока. Не нужны также реле обратного тока, так как полупроводниковые выпрямители не пропускают ток аккумуляторной батареи в обмотки статора. [Тракторы. Конструкция. Под общ. ред. И. П. Ксеневича, В. М. Шарипова. 2001г.]