Generator jednofazowy
Generator jednofazowy (znany również jako alternator jednofazowy ) to generator elektryczny prądu przemiennego , który wytwarza pojedyncze, ciągłe napięcie przemienne. Generatory jednofazowe mogą być wykorzystywane do wytwarzania mocy w jednofazowych systemach elektroenergetycznych. Jednak generatory wielofazowe są zwykle używane do dostarczania energii w dystrybucji trójfazowej system, a zamiast tego prąd jest konwertowany na prąd jednofazowy w pobliżu obciążeń jednofazowych. Dlatego generatory jednofazowe znajdują się w zastosowaniach, które są najczęściej używane, gdy napędzane obciążenia są stosunkowo lekkie i nie są podłączone do dystrybucji trójfazowej, na przykład przenośne generatory silnikowe . Większe generatory jednofazowe są również wykorzystywane w specjalnych zastosowaniach, takich jak jednofazowa moc trakcyjna dla systemów elektryfikacji kolei .
Projekty
Obrotowa armatura
Konstrukcja generatorów z obrotowym twornikiem polega na tym, aby część twornika znajdowała się na wirniku , a część pola magnetycznego na stojanie . Podstawowy projekt, zwany elementarnym generatorem , ma mieć prostokątną pętlę twornika do przecinania linii sił między biegunami północnym i południowym. Przecinając linie siły poprzez obrót, wytwarza prąd elektryczny. Prąd jest wysyłany z generatora przez dwa zestawy pierścieni ślizgowych i szczotek , z których jeden jest używany na każdym końcu twornika. W tej dwubiegunowej konstrukcji, gdy twornik obraca się o jeden obrót, generuje jeden cykl jednofazowego prądu przemiennego (AC). Aby wygenerować wyjście prądu przemiennego, twornik obraca się ze stałą prędkością o liczbie obrotów na sekundę odpowiadającej żądanej częstotliwości (w hercach ) wyjścia prądu przemiennego.
Armatura w temperaturze 0 stopni.
Armatura pod kątem 90 stopni.
Armatura na 180 stopni.
Armatura w temperaturze 270 stopni.
Armatura w 360 stopniach.
Zależność obrotów twornika i mocy wyjściowej prądu przemiennego można zobaczyć na tej serii zdjęć. Z powodu kołowego ruchu twornika w stosunku do prostych linii sił, nawet przy stałej prędkości ruchu zostanie przecięta zmienna liczba linii sił. Przy zerowych stopniach prostokątne ramię twornika nie przecina żadnych linii sił, dając zerowe napięcie wyjściowe. Gdy ramię twornika obraca się ze stałą prędkością w kierunku pozycji 90°, przecinanych jest więcej linii. Linie sił przecinają się co najwyżej, gdy twornik znajduje się w pozycji 90°, dając największy prąd w jednym kierunku. Gdy obraca się w kierunku pozycji 180°, przecina się mniejszą liczbę linii sił, dając mniejsze napięcie, aż ponownie osiągnie zero w pozycji 180°. Napięcie zaczyna ponownie rosnąć, gdy zwora kieruje się do przeciwnego bieguna w pozycji 270°. W kierunku tej pozycji prąd jest generowany w przeciwnym kierunku, dając maksymalne napięcie po przeciwnej stronie. Napięcie ponownie spada, gdy kończy pełny obrót. W jednym obrocie wyjście prądu przemiennego jest wytwarzane w jednym pełnym cyklu, jak pokazano na rysunku fala sinusoidalna .
Do generatora jednofazowego można również dodać więcej biegunów, aby umożliwić jeden obrót w celu wytworzenia więcej niż jednego cyklu wyjściowego prądu przemiennego. W przykładzie po lewej stronie część stojana jest rekonfigurowana tak, aby miała 4 bieguny, które są równomiernie rozmieszczone. Biegun północny sąsiaduje z dwoma biegunami południowymi. Zmienia się również kształt twornika w części wirnika. To już nie jest płaski prostokąt. Ramię jest zgięte pod kątem 90 stopni. Pozwala to jednej stronie twornika na interakcję z biegunem północnym, podczas gdy druga strona oddziałuje z biegunem południowym, podobnie jak w przypadku konfiguracji dwubiegunowej. Prąd jest nadal dostarczany przez dwa zestawy pierścieni ślizgowych i szczotek w taki sam sposób, jak w konfiguracji dwubiegunowej. Różnica polega na tym, że cykl wyjścia AC może zostać zakończony po obrocie twornika o 180 stopni. W jednym obrocie wyjście AC będzie miało dwa cykle. Zwiększa to częstotliwość wyjściową generatora. Można dodać więcej biegunów, aby osiągnąć wyższą częstotliwość przy tej samej prędkości obrotowej generatora lub tę samą częstotliwość wyjściową przy niższej prędkości obrotowej generatora, w zależności od aplikacji.
Taka konstrukcja pozwala nam również na zwiększenie napięcia wyjściowego poprzez modyfikację kształtu twornika. Możemy dodać więcej prostokątnych pętli do szkieletu, jak widać na rysunku po prawej stronie. Dodatkowe pętle na ramieniu twornika są połączone szeregowo, które w rzeczywistości są dodatkowymi uzwojeniami tego samego drutu przewodzącego, tworząc cewkę w kształcie prostokąta. W tym przykładzie cewka ma 4 zwoje. Ponieważ kształty wszystkich uzwojeń są takie same, liczba linii sił zostanie przecięta w tym samym stopniu w tym samym kierunku w tym samym czasie we wszystkich uzwojeniach. Tworzy to w fazie dla tych 4 uzwojeń. W rezultacie napięcie wyjściowe wzrasta 4-krotnie, jak pokazano na wykresie sinusoidy.
Obrotowe pole
Konstrukcja generatorów pola wirującego polega na tym, aby część twornika znajdowała się na stojanie, a część pola magnetycznego na wirniku. Podstawowy projekt generatora jednofazowego z wirującym polem pokazano po prawej stronie. Istnieją dwa bieguny magnetyczne, północny i południowy, przymocowane do wirnika i dwie cewki, które są połączone szeregowo i równomiernie rozmieszczone na stojanie. Uzwojenia dwóch cewek są skierowane w odwrotnym kierunku, aby prąd płynął w tym samym kierunku, ponieważ dwie cewki zawsze oddziałują z przeciwnymi biegunami. Ponieważ bieguny i cewki są równomiernie rozmieszczone, a położenie biegunów odpowiada położeniu cewek, linie sił magnetycznych są przecinane w tej samej wielkości na dowolnym stopniu wirnika. W rezultacie napięcia indukowane na wszystkich uzwojeniach mają zawsze taką samą wartość. Napięcia z obu cewek wynoszą „ w fazie " względem siebie. Dlatego całkowite napięcie wyjściowe jest dwa razy większe niż napięcie indukowane w każdym uzwojeniu. Na rysunku, w miejscu, w którym stykają się biegun nr 1 i cewka nr 1, generator wytwarza najwyższe napięcie wyjściowe w jednym kierunku Gdy wirnik obraca się o 180 stopni, napięcie wyjściowe zmienia się, aby wytworzyć najwyższe napięcie w drugim kierunku.Częstotliwość wyjścia AC w tym przypadku jest równa liczbie obrotów wirnika na sekundę.
Ten projekt może również pozwolić nam zwiększyć częstotliwość wyjściową poprzez dodanie większej liczby biegunów. W tym przykładzie po prawej stronie mamy 4 cewki połączone szeregowo na stojanie, a wirnik pola ma 4 bieguny. Zarówno cewki, jak i bieguny są równomiernie rozmieszczone. Każdy biegun ma przeciwną polaryzację do swoich sąsiadów, którzy są nachyleni pod kątem 90 stopni. Każda cewka ma również uzwojenie przeciwne do swoich sąsiadów. Ta konfiguracja pozwala na przecięcie linii sił na 4 biegunach przez 4 cewki o tej samej wartości w danym czasie. Przy każdym obrocie o 90 stopni polaryzacja wyjścia napięcia jest przełączana z jednego kierunku na drugi. Dlatego w jednym obrocie występują 4 cykle wyjścia AC. Ponieważ 4 cewki są połączone szeregowo, a ich wyjścia są „w fazie”, napięcie wyjściowe AC tego jednofazowego generatora będzie miało 4 razy większe napięcie niż generowane przez każdą pojedynczą cewkę.
Zaletą konstrukcji z wirującym polem jest to, że jeśli bieguny są magnesami trwałymi , nie ma potrzeby stosowania jakichkolwiek pierścieni ślizgowych i szczotek do dostarczania energii elektrycznej z generatora, ponieważ cewki są nieruchome i można je podłączyć bezpośrednio z generatora do obciążenia zewnętrzne.
Małe generatory
Generatory jednofazowe, które ludzie znają, są zwykle małe. Zastosowania są przeznaczone do generatorów rezerwowych w przypadku przerwy w głównym zasilaniu oraz do tymczasowego zasilania na placach budowy.
Innym zastosowaniem jest technologia małych wiatrów . Chociaż większość turbin wiatrowych wykorzystuje generatory trójfazowe, generatory jednofazowe można znaleźć w niektórych małych modelach turbin wiatrowych o znamionowej mocy wyjściowej do 55 kW. Modele jednofazowe są dostępne w turbinach wiatrowych o pionowej osi obrotu (VAWT) i turbinach wiatrowych o poziomej osi obrotu (HAWT).
Elektrownie
W bardzo wczesnych dniach wytwarzania energii elektrycznej generatory w elektrowniach były jednofazowe AC lub prąd stały . Kierunek energetyki zmienił się w 1895 r., kiedy Adams Hydroelectric Generating Plant , która była pierwszą wielkoskalową elektrownią wielofazową, z powodzeniem wdrożono wydajniejsze generatory wielofazowe . Nowsze elektrownie zaczęły przyjmować system wielofazowy. W XX wieku wiele linii kolejowych rozpoczęło elektryfikację z ich linii. W tym czasie jednofazowy system prądu przemiennego był szeroko stosowany w ich sieciach trakcyjnych obok systemu prądu stałego. Wczesne generatory dla tych jednofazowych sieci trakcyjnych to generatory jednofazowe. Nawet w przypadku nowszych silników trójfazowych, które zostały wprowadzone do niektórych nowoczesnych pociągów, jednofazowa przekładnia do sieci trakcyjnych przetrwała swój czas i jest nadal używana na wielu kolejach. Jednak wiele elektrowni trakcyjnych z czasem wymieniło swoje generatory, aby używać generatorów trójfazowych i przekształcić je w jednofazowe do transmisji.
hydro
We wczesnym rozwoju hydroenergetyki generatory jednofazowe odgrywały ważną rolę w demonstrowaniu korzyści płynących z prądu przemiennego. W 1891 r. W Ames Hydroelectric Generating Plant zainstalowano jednofazowy generator 3000 woltów i 133 Hz o mocy 100 koni mechanicznych który był połączony pasem z kołem wodnym Peltona. Moc była przesyłana kablami o długości 4,2 km (2,6 mil), aby zasilić identyczny silnik w młynie. Zakład był pierwszym, który generował energię elektryczną prądu przemiennego do zastosowań przemysłowych i był demonstracją wydajności przesyłu prądu przemiennego. Był to precedens dla większych elektrowni, takich jak Edward Dean Adams Power Plant w Niagara Falls w stanie Nowy Jork w 1895 r. Jednak większe elektrownie były obsługiwane przy użyciu generatorów wielofazowych w celu uzyskania większej wydajności. To pozostawiło zastosowania do jednofazowego wytwarzania energii wodnej do szczególnych przypadków, takich jak niewielkie obciążenia.
Przykład zastosowania jednofazowego w szczególnym przypadku został wdrożony w 1902 roku w Miejskiej Elektrowni St. Louis. Generator jednofazowy o mocy 20 kW został bezpośrednio podłączony do koła wodnego Peltona w celu wytworzenia energii elektrycznej wystarczającej do zasilania lekkich obciążeń. Była to wczesna demonstracja hydroforu przewodowego w celu wychwytywania energii z przepływu wody w publicznym rurociągu wodociągowym . Energia dla sieci wodociągowej w tym przypadku nie była wytwarzana grawitacyjnie, ale woda była pompowana przez większy silnik parowy w pompowni, aby dostarczać wodę klientom. Decyzja o pompowaniu wody przez większy silnik, a następnie pobieraniu części energii z przepływu wody do zasilania mniejszego generatora za pomocą koła wodnego, była oparta na kosztach. W tamtym czasie silniki parowe nie były wydajne i opłacalne dla systemu o mocy 20 kW. Dlatego zainstalowali parową pompę wodną, aby mieć wystarczającą ilość energii do utrzymania ciśnienia wody dla klienta i jednoczesnego napędzania małego generatora.
Głównym zastosowaniem jednofazowej generacji energii wodnej jest obecnie zasilanie sieci trakcyjnej kolei. Wiele elektrycznych sieci przesyłowych dla kolei, zwłaszcza w Niemczech, opiera się na jednofazowym wytwarzaniu i przesyłaniu, które są nadal w użyciu. Godną uwagi elektrownią jest elektrownia wodna Walchensee w Bawarii . Stacja pobiera wodę z podwyższonego jeziora Walchensee do napędzania ośmiu turbin napędzających generatory. Cztery z nich to generatory trójfazowe do zasilania sieci energetycznej . Pozostałe cztery to generatory jednofazowe, które są podłączone do turbin Peltona, które mają łączną moc 52 MW do zasilania niemieckiej elektryfikacji kolei 15 kV AC .
Podobne jednofazowe elektrownie wodne są również wykorzystywane w innym wariancie systemu elektryfikacji kolei w Stanach Zjednoczonych. Elektrownia w Safe Harbor Dam w Pensylwanii zapewnia wytwarzanie energii zarówno dla obiektów użyteczności publicznej, jak i dla kolei Amtrak . Dwie z 14 turbin są podłączone do dwóch generatorów jednofazowych w celu zasilania sieci trakcyjnej Amtrak o częstotliwości 25 Hz . Dwie turbiny są Kaplana z 5 łopatkami o mocy 42 500 koni mechanicznych.
Para
We wczesnych latach silniki parowe były używane jako główne napędy generatorów. Przykładem zastosowania silników parowych z generatorami jednofazowymi była instalacja w Miejskiej Elektrowni St. Louis z początku XX wieku. Zakład w St. Louis wykorzystywał złożony silnik parowy do napędzania jednofazowego generatora o mocy 100 kW, który wytwarzał prąd o mocy znamionowej 1150 woltów.
Parowozy były również używane w XX wieku w elektrowniach do sieci trakcyjnych, które miały jednofazową dystrybucję mocy dla określonych linii kolejowych. Przykładem takich systemów wytwarzania i dystrybucji był specjalny zestaw generatorów jednofazowych z turbinami parowymi w Waterside Generating Station w Nowym Jorku w 1938 roku. Generatory jednofazowe zostały ostatecznie wycofane pod koniec lat siedemdziesiątych z powodu obaw o awarię turbiny w innej stacji. Generatory zostały zastąpione dwoma transformatorami, aby zredukować z innego trójfazowego źródła zasilania do istniejącej jednofazowej sieci trakcyjnej moc. Ostatecznie transformatory zastąpiono dwoma półprzewodnikowymi cyklokonwerterami .
Jądrowy
Zwykle elektrownie jądrowe są wykorzystywane jako stacje obciążenia podstawowego o bardzo dużej mocy do zasilania sieci. Neckarwestheim I w Neckarwestheim to wyjątkowa elektrownia jądrowa, ponieważ jest wyposażona w generatory jednofazowe o dużej mocy do zasilania kolei Deutsche Bahn określonym napięciem przemiennym o częstotliwości 16 2/3 Hz. Ciśnieniowy reaktor wodny przenosi energię cieplną do dwóch turbin i generatorów o mocy znamionowej 187 MW i 152 MW.