Alternator

Alternatory wykonane w 1909 roku przez Ganz Works w hali elektrowni rosyjskiej elektrowni wodnej ( fot. Prokudin-Gorsky , 1911).

Alternator to generator elektryczny , który przetwarza energię mechaniczną na energię elektryczną w postaci prądu przemiennego . Ze względu na koszty i prostotę większość alternatorów wykorzystuje wirujące pole magnetyczne ze nieruchomym twornikiem . Sporadycznie alternator liniowy lub obracającą się zworę ze stacjonarnym polem magnetycznym. Zasadniczo każdy generator elektryczny prądu przemiennego można nazwać alternatorem, ale zwykle termin ten odnosi się do małych maszyn wirujących napędzanych silnikami samochodowymi i innymi silnikami spalinowymi.

Alternator, który wykorzystuje magnes stały do ​​wytwarzania pola magnetycznego, nazywany jest magneto . Alternatory w elektrowniach napędzanych turbinami parowymi nazywane są turboalternatorami. Duże alternatory trójfazowe 50 lub 60 Hz w elektrowniach generują większość światowej energii elektrycznej, która jest rozprowadzana przez sieci elektroenergetyczne .

Historia

W tym, co uważa się za pierwsze przemysłowe zastosowanie prądu przemiennego w 1891 r., Robotnicy pozują z alternatorem Westinghouse w Ames Hydroelectric Generating Plant . Ta maszyna była używana jako generator wytwarzający jednofazowy prąd przemienny o napięciu 3000 woltów i częstotliwości 133 Hz, a identyczna maszyna w odległości 3 mil (4,8 km) była używana jako silnik prądu przemiennego.

Systemy generujące prąd przemienny były znane w prostych formach od odkrycia indukcji magnetycznej prądu elektrycznego w latach trzydziestych XIX wieku. Obrotowe generatory w naturalny sposób wytwarzały prąd przemienny, ale ponieważ nie było z niego pożytku, był on zwykle przekształcany w prąd stały poprzez dodanie komutatora w generatorze. Wczesne maszyny zostały opracowane przez pionierów, takich jak Michael Faraday i Hippolyte Pixii . Faraday opracował „obrotowy prostokąt”, którego działanie było heteropolarne - każdy aktywny przewodnik przechodził kolejno przez obszary, w których pole magnetyczne było skierowane w przeciwnych kierunkach. Lord Kelvin i Sebastian Ferranti opracowali również wczesne alternatory, wytwarzające częstotliwości od 100 do 300 Hz . [ potrzebne źródło ]

Pod koniec lat 70. XIX wieku wprowadzono pierwsze wielkogabarytowe instalacje elektryczne z centralnymi stacjami do zasilania lamp łukowych , służących do oświetlania całych ulic, placów fabrycznych czy wnętrz dużych magazynów. Niektóre, takie jak lampy łukowe Jabłoczkowa wprowadzone w 1878 r., Działały lepiej na prądzie przemiennym, a rozwojowi tych wczesnych systemów generowania prądu przemiennego towarzyszyło pierwsze użycie słowa „alternator”. Dostarczanie odpowiedniej ilości napięcia ze stacji generujących w tych wczesnych systemach pozostawiano inżynierowi w zakresie „jazdy pod obciążeniem”. W 1883 roku Ganz Works wynalazł generator stałego napięcia, który mógł wytwarzać określone napięcie wyjściowe, niezależnie od wartości rzeczywistego obciążenia. Wprowadzenie transformatorów w połowie lat osiemdziesiątych XIX wieku doprowadziło do powszechnego stosowania prądu przemiennego i alternatorów potrzebnych do jego produkcji. Po 1891 roku wprowadzono alternatory wielofazowe do dostarczania prądów o wielu różnych fazach. Późniejsze alternatory zostały zaprojektowane dla różnych częstotliwości prądu przemiennego od szesnastu do około stu herców, do użytku z oświetleniem łukowym, oświetleniem żarowym i silnikami elektrycznymi. Specjalistyczne alternatory częstotliwości radiowej, takie jak alternator Alexandersona, zostały opracowane jako długofalowe nadajniki radiowe około pierwszej wojny światowej i były używane w kilku bezprzewodowych stacjach telegraficznych dużej mocy, zanim zastąpiły je nadajniki lampowe. [ potrzebne źródło ]

Zasada działania

Schemat prostego alternatora z obracającym się rdzeniem magnetycznym (wirnikiem) i nieruchomym drutem (stojanem), pokazujący również prąd indukowany w stojanie przez wirujące pole magnetyczne wirnika.

Przewodnik poruszający się względem pola magnetycznego wytwarza w nim siłę elektromotoryczną (EMF) ( prawo Faradaya ). To pole elektromagnetyczne odwraca swoją polaryzację, gdy porusza się pod biegunami magnetycznymi o przeciwnej polaryzacji. Zwykle obracający się magnes, zwany wirnikiem , obraca się w nieruchomym zestawie przewodników nawiniętych w cewkach na żelaznym rdzeniu, zwanym stojanem . Pole przecina przewodniki, generując indukowane pole elektromagnetyczne (siłę elektromotoryczną), gdy mechaniczne wejście powoduje obrót wirnika. [ potrzebne źródło ]

pole magnetyczne indukuje napięcie przemienne w uzwojeniach stojana. Ponieważ prądy w uzwojeniach stojana zmieniają się skokowo wraz z położeniem wirnika, alternator jest generatorem synchronicznym.

Pole magnetyczne wirnika może być wytwarzane przez magnesy trwałe lub elektromagnes z cewką polową. Alternatory samochodowe wykorzystują uzwojenie wirnika, które umożliwia sterowanie napięciem generowanym przez alternator poprzez zmianę prądu w uzwojeniu pola wirnika. Maszyny z magnesami trwałymi unikają strat spowodowanych prądem magnesującym w wirniku, ale mają ograniczone rozmiary ze względu na koszt materiału magnesu. Ponieważ pole magnesu trwałego jest stałe, napięcie na zaciskach zmienia się bezpośrednio wraz z prędkością generatora. Bezszczotkowe generatory prądu przemiennego są zwykle większe niż te używane w zastosowaniach motoryzacyjnych. [ potrzebne źródło ]

Automatyczne urządzenie sterujące napięciem steruje prądem wzbudzenia, aby utrzymać stałe napięcie wyjściowe. Jeśli napięcie wyjściowe z nieruchomych cewek twornika spada z powodu wzrostu zapotrzebowania, do cewek pola wirującego doprowadzany jest większy prąd przez regulator napięcia (VR). Zwiększa to pole magnetyczne wokół cewek pola, co indukuje większe napięcie w cewkach twornika. W ten sposób napięcie wyjściowe zostaje przywrócone do pierwotnej wartości. [ potrzebne źródło ]

Alternatory stosowane w centralnych elektrowniach sterują również prądem polowym w celu regulacji mocy biernej i ustabilizowania systemu elektroenergetycznego przed skutkami chwilowych zwarć . Często występują trzy zestawy uzwojeń stojana, fizycznie przesuniętych, tak że wirujące pole magnetyczne wytwarza trójfazowy , przesunięty względem siebie o jedną trzecią okresu.

Prędkości synchroniczne

Jeden cykl prądu przemiennego jest wytwarzany za każdym razem, gdy para biegunów pola przechodzi przez punkt na uzwojeniu stacjonarnym. Zależność między prędkością a częstotliwością jest częstotliwością Hz ( to liczba biegunów (2, 4, 6, ...), a obrotowa w obrotach na minutę (r / min). Bardzo stare opisy prądu przemiennego czasami podają częstotliwość w postaci zmian na minutę, licząc każdy półcykl jako jedną zmianę ; więc 12 000 zmian na minutę odpowiada 100 Hz. [ potrzebne źródło ]

Częstotliwość wyjściowa alternatora zależy od liczby biegunów i prędkości obrotowej. Prędkość odpowiadająca określonej częstotliwości nazywana jest prędkością synchroniczną dla tej częstotliwości. Ta tabela zawiera kilka przykładów:

Polacy Prędkość obrotowa (r/min), dając…
50Hz 60 Hz 400Hz
2 3000 3600 24 000
4 1500 1800 12 000
6 1000 1200 8000
8 750 900 6000
10 600 720 4800
12 500 600 4000
14 428,6 514,3 3429
16 375 450 3000
18 333,3 400 2667
20 300 360 2400
40 150 180 1200

Klasyfikacje

Alternatory można klasyfikować według metody wzbudzenia, liczby faz, rodzaju obrotów, metody chłodzenia i ich zastosowania.

Przez wzbudzenie

Istnieją dwa główne sposoby wytwarzania pola magnetycznego stosowanego w alternatorach, przy użyciu magnesów trwałych , które wytwarzają własne trwałe pole magnetyczne, lub przy użyciu cewek polowych . Alternatory wykorzystujące magnesy trwałe są specjalnie nazywane iskrownikami . [ potrzebne źródło ]

W innych alternatorach uzwojone cewki pola tworzą elektromagnes wytwarzający wirujące pole magnetyczne. [ potrzebne źródło ]

Urządzenie, które wykorzystuje magnesy trwałe do wytwarzania prądu przemiennego, nazywa się alternatorem z magnesami trwałymi (PMA). Generator z magnesami trwałymi (PMG) może wytwarzać prąd przemienny lub prąd stały, jeśli ma komutator . [ potrzebne źródło ]

Generator prądu stałego (DC) z podłączeniem bezpośrednim

Ta metoda wzbudzania polega na zastosowaniu mniejszego generatora prądu stałego (DC) zamocowanego na tym samym wale co alternator. Generator prądu stałego wytwarza niewielką ilość energii elektrycznej wystarczającą do wzbudzenia cewek wzbudzenia podłączonego alternatora w celu wytworzenia energii elektrycznej. Odmianą tego systemu jest rodzaj alternatora, który wykorzystuje prąd stały z akumulatora do wstępnego wzbudzenia podczas rozruchu, po czym alternator ulega samowzbudzeniu.

Transformacja i sprostowanie

Ta metoda polega na wykorzystaniu magnetyzmu szczątkowego zatrzymywanego w żelaznym rdzeniu w celu wytworzenia słabego pola magnetycznego, które umożliwiłoby wygenerowanie słabego napięcia. Napięcie to jest wykorzystywane do wzbudzania cewek wzbudzenia, aby alternator generował silniejsze napięcie w ramach narastania . Po początkowym wytworzeniu napięcia AC pole jest zasilane napięciem wyprostowanym z alternatora.

Alternatory bezszczotkowe

Alternator bezszczotkowy składa się z dwóch alternatorów osadzonych na jednym wale. Do 1966 roku w alternatorach stosowano szczotki z polem wirującym. Dzięki postępowi w technologii półprzewodnikowej możliwe są alternatory bezszczotkowe. Mniejsze bezszczotkowe alternatory mogą wyglądać jak jedna jednostka, ale dwie części są łatwo rozpoznawalne w dużych wersjach. Większa z dwóch sekcji to główny alternator, a mniejsza to wzbudnica. Wzbudnica posiada stacjonarne cewki wzbudzające oraz obracający się zworę (cewki zasilające). Główny alternator wykorzystuje odwrotną konfigurację z wirującym polem i nieruchomą zworą. Mostek prostowniczy , zwany obrotowym zespołem prostownika, jest zamontowany na wirniku. Nie stosuje się szczotek ani pierścieni ślizgowych, co zmniejsza liczbę zużywających się części. Alternator główny ma pole wirujące, jak opisano powyżej, oraz nieruchomą zworę (uzwojenia wytwarzające energię).

Zmienianie ilości prądu płynącego przez stacjonarne cewki wzbudzenia zmienia 3-fazowy sygnał wyjściowy ze wzbudnicy. To wyjście jest prostowane przez obracający się zespół prostownika, zamontowany na wirniku, a wynikowy prąd stały zasila pole wirujące głównego alternatora, a tym samym moc wyjściową alternatora. Rezultatem tego wszystkiego jest to, że mały prąd wzbudnicy prądu stałego pośrednio steruje mocą wyjściową głównego alternatora.

Według liczby faz

Główne artykuły: generator jednofazowy i cewka wielofazowa

Innym sposobem klasyfikacji alternatorów jest liczba faz ich napięcia wyjściowego. Wyjście może być jednofazowe lub wielofazowe. Najpopularniejsze są alternatory trójfazowe, ale alternatory wielofazowe mogą być dwufazowe, sześciofazowe lub więcej.

Poprzez obracanie części

Obracającą się częścią alternatorów może być twornik lub pole magnetyczne. Obrotowy typ twornika ma twornik nawinięty na wirniku, gdzie uzwojenie porusza się przez stacjonarne pole magnetyczne. Obrotowy typ armatury nie jest często używany. Typ pola obrotowego ma pole magnetyczne na wirniku, które obraca się przez stacjonarne uzwojenie twornika. Zaletą jest to, że wtedy obwód wirnika przenosi znacznie mniej mocy niż obwód twornika, dzięki czemu z pierścieniem ślizgowym są mniejsze i mniej kosztowne; do wirnika prądu stałego potrzebne są tylko dwa styki, podczas gdy często uzwojenie wirnika ma trzy fazy i wiele sekcji, z których każda wymagałaby połączenia pierścieniem ślizgowym. Stacjonarna zwora może być uzwojona dla dowolnego dogodnego średniego poziomu napięcia, do dziesiątek tysięcy woltów; produkcja połączeń z pierścieniami ślizgowymi dla napięcia powyżej kilku tysięcy woltów jest kosztowna i niewygodna. [ potrzebne źródło ]

Metody chłodzenia

Wiele alternatorów jest chłodzonych powietrzem z otoczenia, przetłaczanym przez obudowę za pomocą wentylatora zamontowanego na tym samym wale, który napędza alternator. W pojazdach takich jak autobusy tranzytowe duże obciążenie układu elektrycznego może wymagać chłodzenia olejem dużego alternatora. W zastosowaniach morskich stosowane jest również chłodzenie wodą. Drogie samochody mogą wykorzystywać alternatory chłodzone wodą, aby sprostać wysokim wymaganiom układu elektrycznego. [ potrzebne źródło ]

Konkretne zastosowania

Generatory elektryczne

Dalsze informacje: Generator elektryczny

Większość elektrowni wykorzystuje jako generatory maszyny synchroniczne. Przyłączenie tych generatorów do sieci elektroenergetycznej wymaga spełnienia warunków synchronizacji.

Alternatory samochodowe

Dalsze informacje: Alternator (motoryzacja)
Alternator zamontowany na silniku samochodowym z kołem pasowym serpentynowym (pasek nie występuje).

Alternatory są stosowane w nowoczesnych samochodach z silnikami spalinowymi do ładowania akumulatora i zasilania układu elektrycznego podczas pracy silnika. [ potrzebne źródło ]

Do lat 60. XX wieku samochody wykorzystywały generatory prądu stałego z komutatorami . Ponieważ dostępne były niedrogie z diodami krzemowymi , zamiast nich zastosowano alternatory. [ potrzebne źródło ]

Alternatory do lokomotyw spalinowo-elektrycznych

W późniejszych lokomotywach spalinowo-elektrycznych i spalinowo-elektrycznych zespołach trakcyjnych główny napęd obraca alternator, który dostarcza energię elektryczną do silników trakcyjnych (AC lub DC). [ potrzebne źródło ]

Alternator trakcyjny zwykle zawiera integralne prostowniki z diodami krzemowymi, które zapewniają silnikom trakcyjnym napięcie do 1200 woltów prądu stałego. [ potrzebne źródło ]

Pierwsze lokomotywy spalinowe i wiele z tych, które nadal są w eksploatacji, wykorzystują generatory prądu stałego, ponieważ przed krzemową energoelektroniką łatwiej było kontrolować prędkość silników trakcyjnych prądu stałego. Większość z nich miała dwa generatory: jeden do generowania prądu wzbudzenia dla większego generatora głównego. [ potrzebne źródło ]

Opcjonalnie generator dostarcza również energię do stacji czołowej (HEP) lub energię do elektrycznego ogrzewania pociągu . Opcja HEP wymaga stałej prędkości obrotowej silnika, typowo 900 obr/min dla aplikacji HEP 480 V 60 Hz, nawet gdy lokomotywa się nie porusza. [ potrzebne źródło ]

Alternatory morskie

Alternatory morskie stosowane na jachtach są podobne do alternatorów samochodowych, z odpowiednimi przystosowaniami do środowiska słonej wody. Alternatory okrętowe są zaprojektowane tak, aby były przeciwwybuchowe (zabezpieczone przed zapłonem), dzięki czemu iskrzenie szczotki nie spowoduje zapłonu wybuchowych mieszanek gazowych w środowisku maszynowni. Mogą być zasilane napięciem 12 lub 24 V, w zależności od rodzaju zainstalowanego systemu. Większe morskie diesle mogą mieć dwa lub więcej alternatorów, aby sprostać dużemu zapotrzebowaniu na energię elektryczną nowoczesnego jachtu. W pojedynczych obwodach alternatora moc może być rozdzielona między akumulator rozruchowy silnika i akumulator domowy (lub akumulatory) za pomocą diody rozdzielonego ładowania ( izolatora akumulatora ) lub przekaźnika wrażliwego na napięcie. Ze względu na wysoki koszt dużych akumulatorów domowych, alternatory morskie zazwyczaj wykorzystują zewnętrzne regulatory. Wielostopniowe regulatory kontrolują prąd wzbudzenia, aby zmaksymalizować efektywność ładowania (czas ładowania) i żywotność baterii. Regulatory wielostopniowe można zaprogramować dla różnych typów akumulatorów. Można dodać dwa czujniki temperatury, jeden dla akumulatora do regulacji napięcia ładowania i czujnik nadmiernej temperatury na właściwym alternatorze, aby chronić go przed przegrzaniem. [ potrzebne źródło ]

Alternatory radiowe

Alternatory wysokiej częstotliwości typu o zmiennej reluktancji były stosowane komercyjnie do transmisji radiowej w pasmach radiowych o niskiej częstotliwości. Były one używane do transmisji alfabetu Morse'a oraz eksperymentalnie do transmisji głosu i muzyki. W alternatorze Alexandersona zarówno uzwojenie wzbudzenia, jak i uzwojenie twornika są nieruchome, a prąd jest indukowany w tworniku dzięki zmieniającej się reluktancji magnetycznej wirnika (który nie ma uzwojeń ani części przewodzących prąd). Takie maszyny zostały stworzone do wytwarzania prądu o częstotliwości radiowej do transmisji radiowych, chociaż wydajność była niska. [ potrzebne źródło ]

Zobacz też

Linki zewnętrzne

Pobrano z „ https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Alternator&oldid=1138279787 ”