Alternátor

Aktuální verze stránky ještě nebyla zkontrolována zkušenými přispěvateli a může se výrazně lišit od verze recenzované 2. května 2021; kontroly vyžadují 7 úprav .

Generátor střídavého proudu ("alternátor") je elektrický stroj , který přeměňuje mechanickou energii na elektrickou energii střídavého proudu . Většina alternátorů používá točivé magnetické pole .

Principem činnosti generátoru je přeměna mechanické energie na elektrickou energii otáčením drátové cívky v magnetickém poli. Elektrický proud vzniká také tehdy, když siločáry pohybujícího se magnetu protínají závity drátové cívky. Elektrony se pohybují směrem ke kladnému pólu magnetu a elektrický proud teče z kladného pólu k zápornému pólu. Dokud siločáry magnetického pole protínají cívku (vodič), indukuje se ve vodiči elektrický proud. Podobný princip funguje také tehdy, když se drátěný rám pohybuje vzhledem k magnetu, to znamená, když rám protíná magnetické siločáry. Indukovaný elektrický proud protéká tak, že jeho pole magnet odpuzuje, když se k němu rám přibližuje, a přitahuje, když se rám vzdaluje. Pokaždé, když rám změní orientaci vzhledem k pólům magnetu, elektrický proud také obrátí svůj směr. Dokud zdroj mechanické energie otáčí vodičem (nebo magnetickým polem), bude generátor produkovat střídavý elektrický proud.

Historie

Elektrické stroje vyrábějící střídavý proud jsou v jednoduché podobě známy již od objevu magnetické indukce elektrického proudu . Rané stroje byly navrženy Michaelem Faradayem a Hippolyte Pixie .

Faraday vyvinul „rotující obdélník“, který byl multipolární – každý aktivní vodič procházel v sérii oblastí, kde bylo magnetické pole v opačných směrech. První veřejná demonstrace nejvýkonnějšího „alternátorového systému“ se konala v roce 1886 . Velký dvoufázový alternátor sestrojil britský elektrikář James Henry Gordon v roce . Lord Kelvin a Sebastian Ferranti ( angl. Sebastian Pietro Innocenzo Adhemar Ziani de Ferranti ) také vyvinuli raný alternátor, který produkoval střídavý proud o frekvenci mezi 100 a 300 Hz . V roce 1891 si Nikola Tesla nechal patentovat praktický „vysokofrekvenční“ alternátor (který pracoval na frekvenci asi 15 000 hertzů). Po roce 1891 byly vynalezeny vícefázové alternátory. Generátor třífázového proudu s třívodičovou zátěží byl vyvinut a předveden ruským inženýrem Dolivo-Dobrovolským , který pracoval jako hlavní inženýr berlínské společnosti AEG . V roce 1893 vynález, který předvedl, použil A.N. Shchensnovich při stavbě první průmyslové třífázové elektrárny jako součásti obilního výtahu v Novorossijsku. [jeden]

Teorie alternátoru

Princip činnosti generátoru je založen na zákonu elektromagnetické indukce - indukci elektromotorické síly v pravoúhlém obvodu (drátěném rámu) umístěném v rovnoměrném rotujícím magnetickém poli . Nebo naopak, obdélníkový obvod rotuje v rovnoměrném pevném magnetickém poli.

Předpokládejme, že stejnoměrné magnetické pole vytvořené permanentním magnetem rotuje kolem své osy ve vodivé smyčce (drátovém rámu) s rovnoměrnou úhlovou rychlostí . Dvě stejné vertikální strany obrysu (viz obrázek) jsou aktivní , protože je protínají magnetické čáry magnetického pole. Dvě vodorovné strany obrysu, které jsou odděleně stejné, nejsou aktivní, protože je magnetické čáry magnetického pole nekříží, magnetické čáry kloužou po vodorovných stranách, nevzniká v nich elektromotorická síla. $\omega$

V každé z aktivních stran obvodu se indukuje elektromotorická síla, jejíž hodnota je určena vzorcem:

$e_{1}=Blv\sin \omega t$ a , $e_{2}=Blv\sin(\omega t+$ $\pi$ $)=-Blv\sin \omega t$

kde

$e_{1}$ a - okamžité hodnoty elektromotorických sil indukovaných na aktivních stranách obvodu ve voltech ; $e_{2}$

$B$ - magnetická indukce magnetického pole ve volt - sekundách na metr čtvereční ( T , Tesla );

$l$ - délka každé z aktivních stran vrstevnice v metrech ;

$proti$ - lineární rychlost otáčení aktivních stran obrysu v metrech za sekundu;

$t$ — čas v sekundách ;

$\omega t$ a jsou úhly , pod kterými magnetické čáry protínají aktivní strany obrysu. $\omega t+$ $\pi$

Protože elektromotorické síly indukované v aktivních stranách obvodu působí vzájemně v souladu, výsledná elektromotorická síla indukovaná v obvodu,

se bude rovnat , to znamená, že indukovaná elektromotorická síla v obvodu se mění podle sinusového zákona. $e=2Blv\sin \omega t$

Otáčí-li se v obvodu stejnoměrné magnetické pole stejnoměrnou úhlovou rychlostí, indukuje se v něm sinusová elektromotorická síla .

Vzorec můžete transformovat tak, že jej vyjádříte v podmínkách maximálního magnetického toku pronikajícího do obvodu. $e=2Blv\sin \omega t$ ${\displaystyle \Phi _{m))$

Relativní lineární rychlost aktivních stran je rovna součinu poloměru otáčení a úhlové rychlosti , tzn. $proti$ ${\frac {\alpha }{2))$ $\omega$ $v={\frac {\alpha }{2}}\omega$

Pak dostaneme $e=2Bl{\frac {\alpha }{2))\omega \sin \omega t$

kde

${\displaystyle \omega \Phi _{m))$ je amplituda sinusové elektromotorické síly;

$\omega t$ je fáze sinusové elektromotorické síly;

$\omega$ je úhlová rychlost sinusové elektromotorické síly, v tomto případě rovna úhlové rychlosti magnetu v obvodu.

Vzhledem k tomu, že obvod se skládá z mnoha závitů drátu, je elektromotorická síla úměrná počtu závitů a vzorec bude vypadat takto : $w$ $e=w2Bl{\frac {\alpha }{2}}\omega \sin \omega t$

Zadáme-li do vzorce maximální magnetický tok, pak . $e=w\Phi _{m}\sin \omega t$

Zařízení alternátoru

Podle designu můžeme rozlišit:

generátory s pevnými magnetickými póly a otočnou kotvou ;
generátory s rotujícími magnetickými póly a pevným statorem.

Ty se staly rozšířenější, protože kvůli nehybnosti vinutí statoru není potřeba odstraňovat velký vysokonapěťový proud z rotoru pomocí posuvných kontaktů (kartáčů) a sběracích kroužků .

Pohyblivá část generátoru se nazývá rotor a pevná část se nazývá stator .

Stator je sestaven ze samostatných železných plechů izolovaných od sebe. Na vnitřní ploše statoru jsou drážky, kam jsou vloženy vodiče statorového vinutí generátoru.

Rotor bývá vyroben z masivního železa, pólové nástavce magnetických pólů rotoru jsou sestaveny z plechu. Při rotaci je mezi statorem a pólovými nástavci rotoru minimální mezera pro vytvoření co nejvyšší magnetické indukce. Geometrický tvar pólových nástavců je zvolen tak, aby proud generovaný generátorem byl co nejblíže sinusovému.

Na jádrech pólů jsou umístěny budicí cívky napájené stejnosměrným proudem. Stejnosměrný proud je přiváděn pomocí kartáčů na sběrací kroužky umístěné na hřídeli generátoru .

Podle způsobu buzení se alternátory dělí na:

generátory, jejichž budicí vinutí jsou napájena stejnosměrným proudem z externího zdroje elektrické energie, např. baterie ( generátory s nezávislým buzením ).
generátory, jejichž budicí vinutí jsou napájena externím nízkopříkonovým stejnosměrným generátorem ( budičem ) umístěným na stejné hřídeli jako generátor, kterému slouží.
generátory, jejichž budicí vinutí jsou napájena usměrněným proudem samotných generátorů ( samobuzené generátory ). Viz také bezkomutátorový synchronní generátor .
generátory s buzením z permanentních magnetů .

Strukturálně můžeme rozlišit:

generátory s výraznými póly;
generátory s implicitními póly.

Podle počtu fází můžeme rozlišit:

jednofázové generátory. Viz také kondenzátorový motor , jednofázový motor .
Dvoufázové generátory. Viz také dvoufázová elektrická síť , dvoufázový motor .
Třífázové generátory. Viz také třífázový napájecí systém , třífázový motor .

Připojením fázových vinutí třífázového generátoru:

šestivodičový systém Tesla (nemá žádnou praktickou hodnotu);
hvězdicové spojení";
trojúhelníkové připojení";
připojení šesti vinutí ve tvaru jedné "hvězdy" a jednoho "trojúhelníku" na jednom statoru.

Nejběžnější je „hvězdové“ zapojení s neutrálním vodičem (čtyřvodičový obvod), které usnadňuje kompenzaci fázových nesymetrií a eliminuje výskyt konstantní složky a parazitních prstencových proudů ve vinutí generátoru, což vede ke ztrátám energie. a přehřívání.

Protože v praxi v energetických sítích s mnoha malými spotřebiči není zátěž na různých fázích symetrická (je připojen různý elektrický výkon , nebo například aktivní zátěž na jedné fázi a indukční nebo kapacitní na druhé , pak při připojení k „trojúhelník“ nebo „hvězda“ bez neutrálního vodiče , můžete získat takový nepříjemný jev, jako je „ fázová nerovnováha “, například žárovky připojené k jedné z fází slabě žhnou, zatímco na ostatní fáze je aplikováno příliš vysoké elektrické napětí a zapnutá zařízení „vyhoří“.

Frekvence střídavého proudu produkovaného generátorem

Tyto generátory jsou synchronní , to znamená, že úhlová rychlost (počet otáček) rotujícího magnetického pole lineárně závisí na úhlové rychlosti (počet otáček) rotoru generátoru a asynchronní , ve kterých dochází ke skluzu, tj. magnetického pole statoru od úhlové rychlosti rotoru. Kvůli určité těžkopádné regulaci mají asynchronní generátory malou distribuci.

Pokud je rotor generátoru bipolární, pak pro jednu úplnou otáčku indukované elektromotorické síly dokončí celý cyklus svých změn.

Proto bude frekvence elektromotorické síly synchronního generátoru : $f = \frac{n}{60}$

kde

$F$ - frekvence v hertzech ;

$n$ - počet otáček rotoru za minutu .

Pokud má generátor několik pólových párů , pak bude frekvence elektromotorické síly takového generátoru $p$

krát frekvence elektromotorické síly bipolárního generátoru : . $p$ $f=p{\frac {n}{60}}$

Frekvence střídavého proudu v elektrických sítích musí být přísně dodržována , v Rusku a dalších zemích je to 50 period za sekundu ( hertz ). V řadě zemí, například v USA , Kanadě , Japonsku , je do elektrické sítě dodáván střídavý proud o frekvenci 60 Hz. V palubní síti letadel se používá střídavý proud o frekvenci 400 hertzů.

Tabulka ukazuje závislost frekvence generovaného střídavého proudu na počtu magnetických pólů a počtu otáček generátoru

Tento faktor je třeba vzít v úvahu při navrhování generátorů.

Počet pólů	Počet otáček rotoru pro frekvenci 50 hertzů za 1 minutu	Počet otáček rotoru pro frekvenci 60 hertzů za 1 minutu	Počet otáček rotoru pro frekvenci 400 hertzů za 1 minutu
2	3000	3 600	24 000
čtyři	1500	1800	12 000
6	1000	1 200	8000
osm	750	900	6000
deset	600	720	4 800
12	500	600	4000
čtrnáct	428,6	514,3	3429
16	375	450	3000
osmnáct	333,3	400	2667
dvacet	300	360	2400
40	150	180	1 200

Například parní turbína pracuje optimálně při 3000 otáčkách za minutu, počet pólů generátoru je dva.

Například pro dieselový motor používaný v dieselových elektrárnách je optimální provozní režim 750 ot./min., pak musí mít generátor 8 pólů.

Například masivní a pomaloběžné hydraulické turbíny ve velkých vodních elektrárnách se točí rychlostí 150 otáček za minutu, generátor pak musí mít 40 pólů.

Tyto příklady jsou uvedeny pro frekvenci střídavého proudu 50 Hz.

Parametry synchronního generátoru

Hlavní veličiny charakterizující synchronní generátor jsou:

elektrické napětí na svorkách , volty ; $U$
proudová síla , ampér ; $já$
zdánlivý výkon [voltampér]
činný výkon , watt ; $P_{i}$
počet otáček rotoru za minutu ; $n$
účiník ( cosinus " phi " ) . $\cos \phi$
typ buzení vinutí

Klidová charakteristika generátoru

Elektromotorická síla alternátoru je úměrná velikosti magnetického toku a počtu otáček rotoru generátoru za minutu: $\Phi$ $n$

$E=cn\Phi$ , kde je koeficient úměrnosti (určený konstrukcí generátoru). $C$

Ačkoli velikost EMF synchronního generátoru závisí na počtu otáček rotoru, není možné jej regulovat změnou rychlosti otáčení rotoru, protože frekvence střídavého proudu generovaného generátorem souvisí s počet otáček rotoru generátoru. Při provozu generátoru v elektrických sítích musí být frekvence přísně dodržována (v Rusku 50 hertzů ). $n$

Jediným způsobem, jak změnit hodnotu EMF synchronního generátoru, je tedy změnit magnetický tok . $\Phi$

Magnetický tok je úměrný síle proudu v obvodu ( A , ampéry ) a indukčnosti ( H , henry ): $\Phi$ $já$ $L$

$\Phi =LI$ .

Odtud bude vzorec pro EMF synchronního generátoru vypadat takto :. $E=cnLI$

Regulace EMF změnou magnetického toku se provádí postupným připojováním reostatů nebo elektronických regulátorů napětí k obvodu budícího vinutí . Na rotoru generátoru jsou sběrací kroužky , budicí proud je přiváděn přes sestavu kartáče ( kluzné kontakty ). V případě, že je malý budič generátor umístěn na společné hřídeli s generátorem, pak se regulace provádí nepřímo, regulací budícího proudu budiče generátoru.

V případě, že se používají generátory střídavého proudu s buzením z permanentních magnetů (například v malé energetice), je výstupní napětí regulováno pomocí externích zařízení: regulátory napětí a stabilizátory . Viz také stabilizátory střídavého napětí , spínací regulátor napětí .

Pokud nezáleží na tom, jaký frekvenční proud se získává na svorkách generátoru (například střídavý proud je pak usměrněn, jako u dieselových lokomotiv s AC-DC převodovkou, jako jsou ТЭ109 , ТЭ114 , ТЭ129 , ТЭМ7 atd.) - EMF se reguluje jak změnou budícího proudu , tak změnou počtu otáček trakčního generátoru .

Paralelní provoz synchronních generátorů

V elektrárnách jsou synchronní generátory vzájemně propojeny paralelně , aby spolupracovaly na společné elektrické síti . Při nízkém zatížení elektrické sítě pracuje pouze část generátorů, při zvýšené spotřebě energie („ špička “) jsou zapnuty záložní generátory. Tento způsob je výhodný, protože každý generátor pracuje na plný výkon , tedy s nejvyšší účinností .

Synchronizace generátoru s elektrickou sítí

V okamžiku připojení záložního generátoru k elektrobusům musí být jeho elektromotorická síla číselně rovna napětí na těchto pneumatikách, mít s ním stejnou frekvenci a fázový posun je roven nule. Proces uvedení záložního generátoru do režimu, který poskytuje specifikované podmínky, se nazývá synchronizace generátoru .

Pokud tato podmínka není splněna (připojený generátor není uveden do synchronního režimu), pak může do generátoru téct ze sítě velký proud, generátor začne pracovat v režimu elektromotoru, což může vést k havárii.

Pro synchronizaci připojeného generátoru s elektrickou sítí se používají speciální zařízení v nejjednodušší podobě - synchroskop .

Synchroskop je žárovka a „nulový“ voltmetr , paralelně připojené ke kontaktům spínače , který odpojuje generátor od síťových sběrnic (respektive kolik fází, kolik žárovek a voltmetrů).

Když je spínač otevřený, ukáže se, že paralelní sestava "žárovka -" nulový "voltmetr" je zapojena do série s obvodem "fáze generátoru - fáze sítě".

Po spuštění generátoru (při rozpojeném spínači) se uvede na jmenovité otáčky a úpravou budicího proudu je napětí na svorkách generátoru a na síťových sběrnicích přibližně stejné.

Když se generátor přiblíží k synchronizaci, začnou žárovky blikat a v okamžiku téměř úplné synchronizace zhasnou. Žárovky však zhasínají při napětí, které se nerovná nule, k indikaci úplné nuly slouží voltmetry ("nulové" voltmetry) . Jakmile "nulové" voltmetry ukazují 0 voltů - generátor a elektrická síť jsou synchronizovány, můžete spínač sepnout. Pokud dvě žárovky (na dvou fázích) zhasnou, ale třetí ne, znamená to, že jedna z fází generátoru je nesprávně připojena ke sběrnici elektrické sítě.

Alternátory vozidel

Třífázové alternátory s vestavěným polovodičovým třífázovým můstkovým usměrňovačem se v moderních automobilech používají k nabíjení autobaterie , jakož i k napájení elektrických spotřebičů , jako je zapalovací systém , automobilové osvětlení , palubní počítač , diagnostický systém a další. Stálost napětí v palubní síti je udržována specializovaným regulátorem napětí .

Použití automobilových alternátorů umožňuje snížit celkové rozměry, hmotnost generátoru, zvýšit jeho spolehlivost, při zachování nebo dokonce zvýšení jeho výkonu oproti stejnosměrným generátorům [2] .

Například stejnosměrný generátor G-12 ( auto GAZ-69 ) váží 11 kg, jmenovitý proud 20 ampér a alternátor G-250P2 ( auto UAZ-469 ) o hmotnosti 5,2 kg produkuje jmenovitý proud 28 ampér.

V hybridních vozidlech se používají alternátory , které umožňují kombinovat tah spalovacího motoru a elektromotoru . Tím se zabrání provozu spalovacího motoru v režimu nízké zátěže a také se realizuje rekuperace kinetické energie , která zvyšuje palivovou účinnost elektrárny.

Na dieselových lokomotivách , jako jsou TE109 , TE114 , TE129 , TEM7 , TEM9 , TERA1 , TEP150 , 2TE25K , se používá elektrický převod AC-DC, jsou instalovány synchronní třífázové trakční generátory . Stejnosměrné trakční motory, elektřina generovaná generátorem je usměrněna polovodičovým usměrňovačem. Výměna stejnosměrného generátoru za generátor střídavého proudu umožnila snížit hmotnost elektrického zařízení, rezervu lze použít pro instalaci výkonnějšího dieselového motoru . Trakční alternátor však nelze použít jako spouštěč pro spalovací motor, spouštění provádí generátor stejnosměrného proudu pro řídicí obvody.

Na experimentální dieselové lokomotivě 2TE137 jsou použity nové ruské lokomotivy 2TE25A , TEM21 , elektrický převod AC-AC, s asynchronními trakčními motory.

Indukční motory jako alternátory

Jako reverzibilní elektrický stroj lze asynchronní střídavý motor převést do režimu generátoru .

V generátorovém režimu mění skluz (rozdíl mezi úhlovou rychlostí rotoru a úhlovou rychlostí rotačního magnetického pole) znaménko,
to znamená, že indukční motor pracuje jako asynchronní generátor .

Toto zařazení se využívá především v dopravě pro reostatické nebo rekuperační brzdění (kde se jako trakční motory používají asynchronní).

Chlazení alternátorů

Během provozu dochází v generátoru ke ztrátám energie, které se přeměňují na teplo a topná tělesa. Přestože účinnost moderních generátorů je velmi vysoká, absolutní ztráty jsou poměrně velké, což vede k výraznému zvýšení teploty aktivní oceli, mědi a izolace . Zvýšení teploty konstrukčních prvků zase vede k jejich postupné destrukci a snížení životnosti generátoru [3] [4] . Aby se tomu zabránilo, používají se různé chladicí systémy.

Existují tyto typy chladicích soustav: povrchové (nepřímé) a přímé chlazení [3] . Nepřímým chlazením zase může být vzduch a vodík.

Vodíkové chladicí systémy se častěji instalují na velké generátory, protože poskytují lepší odvod tepla [5] ( Vodík má oproti vzduchu vyšší tepelnou vodivost a 10x nižší hustotu [6] ). Vodík je hořlavý a výbušný, proto se používá izolace ventilačního systému a udržování vysokého tlaku.

Viz také

Poznámky

↑ Rybnikova, I. A. Historické aspekty výstavby zařízení pro překládku obilí v námořním přístavu Novorossijsk na přelomu 19.-20. století / I. A. Rybnikova, A. M. Rybnikov // VĚSTNÍK ISTU. - 2014. - č. 7 (90). — ISSN 1814-3520 .
Elektrárna měla poskytovat energii elektromotorům výtahových mechanismů, .... Stavbu řídil A. N. Shchensnovič, který využil vynález I. O. Dolivo-Dobrovolského. Výkresy pro stanici zpracovala švýcarská společnost Brown Boveri a veškeré hlavní elektrické vybavení bylo vyrobeno na místě v mechanických dílnách výtahu, včetně navíjení a montáže elektromotorů.
↑ Stejné výhody má alternátor použitý v napájecím systému osobního automobilu .
↑ 1 2 Elektrárny a rozvodny. Téma 2. Synchronní generátory a kompenzátory . Získáno 29. dubna 2013. Archivováno z originálu 5. března 2016. (neurčitý)
↑ Plynové chladiče elektrických strojů . Získáno 29. dubna 2013. Archivováno z originálu 17. května 2013. (neurčitý)
↑ Chladicí systém vodíku generátoru (nepřístupný odkaz)
↑ Princip činnosti a konstrukce synchronních strojů . Získáno 29. dubna 2013. Archivováno z originálu 13. září 2014. (neurčitý)

Literatura

Thompson, S. P. Dynamo-Electric Machinery : Manuál pro studenty elektrotechniky : Část 1 : [ eng. ] . - New York: Collier and Sons, 1902.

Odkazy

Alternátory Archivováno 29. dubna 2004 na Wayback Machine . Integrované publikování (TPub.com).
Dřevěný nízkootáčkový alternátor . Force Field, Fort Collins, Colorado, USA.
Pochopení 3fázových alternátorů . WindStuffNow.
Alternátor, oblouk a jiskra. První bezdrátové vysílače . Domovská stránka G0UTY.
White, Thomas H., Alternator-Transmitter Development (1891-1920) . EarlyRadioHistory.us.

Slovníky a encyklopedie	Britannica (online) Treccani
V bibliografických katalozích	BNF : 123986174 J9U : 987007536063205171 LCCN : sh85041708