Генератор
тока.
Устройство
и принцип действия
генератора.
Работу выполнил:
Митрофанов Никита
Учитель: Хисматулина
И. В.
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. 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.
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.