Alternator - Alternator

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

Alternatora jest generator elektryczny , który przekształca energii mechanicznej na energię elektryczną w postaci prądu zmiennego . Ze względu na koszty i prostotę większość alternatorów wykorzystuje wirujące pole magnetyczne z nieruchomą zworą . Czasami stosuje się alternator liniowy lub obracającą się zworę ze stacjonarnym polem magnetycznym. W zasadzie, każdy sieciowy generator elektryczny może być nazywany alternatora, a zazwyczaj termin ten odnosi się do małych urządzeń wirujących napędzane samochodowych silnikach spalinowych i innych.

Alternator, który wykorzystuje magnes trwały do swojego pola magnetycznego, nazywa się 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 dystrybuowana przez sieci elektroenergetyczne .

Historia

W tym, co uważa się za pierwsze przemysłowe zastosowanie prądu przemiennego w 1891 roku, robotnicy pozują z alternatorem Westinghouse w elektrowni wodnej Ames . Ta maszyna była używana jako generator wytwarzający 3000 V, 133 Hz, jednofazowy prąd przemienny, a identyczna maszyna oddalona o 3 mile (4,8 km) była używana jako silnik prądu przemiennego.

Układy generujące prąd przemienny były znane w prostych formach od odkrycia indukcji magnetycznej prądu elektrycznego w latach 30. XIX wieku. Generatory wirujące naturalnie wytwarzały prąd przemienny, ale ponieważ był on mało użyteczny, zwykle był przekształcany w prąd stały poprzez dodanie komutatora w generatorze. Wczesne maszyny zostały opracowane przez pionierów, takich jak Michael Faraday i Hippolyte Pixii . Faraday opracował „rotujący prostokąt”, którego działanie było heteropolarne – każdy aktywny przewodnik przechodził kolejno przez obszary, w których pole magnetyczne było w przeciwnych kierunkach. Lord Kelvin i Sebastian Ferranti również opracowali wczesne alternatory, wytwarzając częstotliwości od 100 do 300 Hz .

Pod koniec lat 70. XIX wieku wprowadzono pierwsze wielkoskalowe systemy elektryczne z centralnymi stacjami generacyjnymi do zasilania lamp łukowych , używanych do oświetlania całych ulic, podwórek fabrycznych lub wnętrz dużych magazynów. Niektóre, takie jak lampy łukowe Jabłoczkowa wprowadzone w 1878 r., działały lepiej na prądzie przemiennym, a rozwojowi tych wczesnych systemów prądotwórczych towarzyszyło pierwsze użycie słowa „alternator”. Dostarczenie odpowiedniej ilości napięcia ze stacji wytwórczych w tych wczesnych układach pozostawiono w gestii inżyniera w zakresie „jazdy z 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 80. XIX wieku doprowadziło do powszechnego stosowania prądu przemiennego i stosowania 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. Wyspecjalizowane alternatory częstotliwości radiowej, takie jak alternator Alexanderson, zostały opracowane jako długofalowe nadajniki radiowe podczas I wojny światowej i były używane w kilku bezprzewodowych stacjach telegraficznych dużej mocy , zanim zastąpiły je nadajniki lampowe.

Zasada działania

Schemat prostego alternatora z wirującym rdzeniem magnetycznym (wirnik) i nieruchomym przewodem (stojan) pokazujący również prąd indukowany w stojanie przez wirujące pole magnetyczne wirnika.

Przewodnik poruszający się względem pola magnetycznego wytwarza w nim siłę elektromotoryczną (PEM) ( prawo Faradaya ). Ten EMF odwraca swoją polaryzację, gdy porusza się pod biegunami magnetycznymi o przeciwnej polaryzacji. Zazwyczaj obracający się magnes, zwany wirnikiem, obraca się w nieruchomym zestawie przewodników nawiniętych w cewki na żelaznym rdzeniu, zwanym stojanem . Pole przecina przewodniki, generując indukowaną siłę elektromotoryczną (siła elektromotoryczna), ponieważ wejście mechaniczne powoduje obrót wirnika.

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

Pole magnetyczne wirnika może być wytwarzane przez magnesy trwałe lub przez elektromagnes cewki polowej. 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 ograniczony rozmiar 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.

Automatyczne urządzenie sterujące napięciem kontroluje prąd pola, aby utrzymać stałe napięcie wyjściowe. Jeśli napięcie wyjściowe z cewek twornika stacjonarnego spada z powodu wzrostu zapotrzebowania, więcej prądu jest doprowadzane do cewek pola wirującego przez regulator napięcia (VR). Powoduje to zwiększenie pola magnetycznego wokół cewek pola, które indukuje większe napięcie w cewkach twornika. W ten sposób napięcie wyjściowe jest przywracane do pierwotnej wartości.

Alternatory stosowane w centralnych elektrowniach kontrolują również prąd wzbudzenia w celu regulacji mocy biernej i wspomagania stabilizacji systemu elektroenergetycznego przed skutkami chwilowych awarii . Często występują trzy zestawy uzwojeń stojana, fizycznie przesuniętych tak, że wirujące pole magnetyczne wytwarza prąd trójfazowy , przesunięty względem siebie o jedną trzecią okresu.

Prędkości synchroniczne

Za każdym razem, gdy para biegunów pola przechodzi przez punkt na uzwojeniu stacjonarnym, wytwarzany jest jeden cykl prądu przemiennego. Zależność między prędkością a częstotliwością to , gdzie jest częstotliwością w Hz (cykle na sekundę). to liczba biegunów (2, 4, 6, …) i prędkość obrotowa w obrotach na minutę (r/min). Bardzo stare opisy systemów prądu przemiennego czasami podają częstotliwość w przemiennościach na minutę, licząc każdą półcykl jako jedną przemianę ; więc 12 000 zmian na minutę odpowiada 100 Hz. ${\ Displaystyle N = 120f/P}$${\displaystyle f}$${\displaystyle P}$${\ Displaystyle N}$

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:

Klasyfikacje

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

Przez wzbudzenie

Istnieją dwa główne sposoby wytwarzania pola magnetycznego stosowanego w alternatorach: za pomocą magnesów trwałych, które wytwarzają własne trwałe pole magnetyczne, lub za pomocą cewek polowych . Alternatory, które wykorzystują magnesy trwałe, są specjalnie nazywane magneto .

W innych alternatorach nawinięte cewki pola tworzą elektromagnes wytwarzający wirujące pole magnetyczne.

Urządzenie wykorzystujące 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 .

Generator prądu stałego (DC) podłączony bezpośrednio

Ta metoda wzbudzenia składa się z mniejszego generatora prądu stałego (DC) zamocowanego na tym samym wale z alternatorem. Generator prądu stałego wytwarza niewielką ilość energii elektrycznej, wystarczającą do wzbudzenia cewek polowych podłączonego alternatora w celu wytworzenia energii elektrycznej. Odmianą tego systemu jest rodzaj alternatora, który wykorzystuje prąd stały z akumulatora do wstępnego wzbudzenia przy rozruchu, po czym alternator staje się samowzbudny.

Transformacja i rektyfikacja

Metoda ta opiera się na magnetyzmie szczątkowym zatrzymywanym w żelaznym rdzeniu w celu wygenerowania słabego pola magnetycznego, które umożliwiłoby wygenerowanie słabego napięcia. To napięcie służy do wzbudzenia cewek pola, aby alternator generował silniejsze napięcie w ramach procesu jego narastania . Po początkowym wzroście napięcia AC, pole jest zasilane napięciem wyprostowanym z alternatora.

Alternatory bezszczotkowe

Alternator bezszczotkowy składa się z dwóch alternatorów zabudowanych na jednym wale. Do 1966 roku alternatory używały szczotek z polem wirującym. Dzięki postępowi w technologii półprzewodnikowej możliwe są alternatory bezszczotkowe. Mniejsze alternatory bezszczotkowe 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 polowe i obracającą się zworę (cewki mocy). Główny alternator wykorzystuje odwrotną konfigurację z wirującym polem i nieruchomym twornikiem. Na wirniku zamontowany jest prostownik mostkowy , zwany zespołem prostownika obrotowego. Nie stosuje się szczotek ani pierścieni ślizgowych, co zmniejsza liczbę zużywających się części. Alternator główny posiada opisane powyżej pole wirujące oraz nieruchomą zworę (uzwojenia generatora mocy).

Zmienianie natężenia prądu przez cewki pola wzbudnicy stacjonarnej zmienia 3-fazowe wyjście z wzbudnicy. Ta moc wyjściowa jest prostowana przez obracający się zespół prostownika, zamontowany na wirniku, a powstały prąd stały zasila pole wirujące alternatora głównego, a tym samym jego moc wyjściową. Wynikiem tego wszystkiego jest to, że mały prąd wzbudnicy DC pośrednio steruje mocą głównego alternatora.

Według liczby faz

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

Obracając część

Obrotową częścią alternatorów może być zwora lub pole magnetyczne. Zwora obrotowa ma zworę nawiniętą na wirnik, gdzie uzwojenie porusza się w nieruchomym polu magnetycznym. Typ armatury obrotowej nie jest często używany. Typ pola obrotowego ma pole magnetyczne na wirniku, które obraca się przez nieruchome uzwojenie twornika. Zaletą jest to, że wtedy obwód wirnika przenosi znacznie mniej mocy niż obwód twornika, dzięki czemu połączenia pierścieni ślizgowych są mniejsze i mniej kosztowne; tylko dwa styki są potrzebne dla wirnika prądu stałego, podczas gdy często uzwojenie wirnika ma trzy fazy i wiele sekcji, z których każda wymagałaby połączenia pierścieniem ślizgowym. Zworę stacjonarną można nawinąć na dowolny dogodny poziom średniego napięcia, do dziesiątek tysięcy woltów; Produkcja połączeń z pierścieniem ślizgowym na więcej niż kilka tysięcy woltów jest kosztowna i niewygodna.

Metody chłodzenia

Wiele alternatorów jest chłodzonych powietrzem otoczenia, wtłaczanym przez obudowę przez dołączony wentylator na tym samym wale, który napędza alternator. W pojazdach, takich jak autobusy transportowe, duże zapotrzebowanie na układ elektryczny może wymagać dużego alternatora chłodzonego olejem. W zastosowaniach morskich stosuje się również chłodzenie wodne. Drogie samochody mogą używać alternatorów chłodzonych wodą, aby sprostać wysokim wymaganiom instalacji elektrycznej.

Specyficzne zastosowania

Generatory elektryczne

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

Alternatory samochodowe

Alternator zamontowany na silniku samochodowym z serpentynowym kołem pasowym (pas nie występuje).

Alternatory są używane w nowoczesnych samochodach do ładowania akumulatora i zasilania układu elektrycznego podczas pracy silnika .

Aż do 1960 roku, samochody używane DC dynamo generatory z komutatorów . Wraz z dostępnością niedrogich prostowników z diodami krzemowymi zamiast nich zastosowano alternatory.

Alternatory lokomotyw elektrycznych spalinowych

W późniejszych diesla lokomotyw elektrycznych i wysokoprężnych elektrycznych zespołów trakcyjnych , sprawczą okazuje alternator, który dostarcza energię elektryczną dla silników trakcyjnych (AC lub DC).

Alternator trakcyjny zazwyczaj zawiera zintegrowane prostowniki z diodami krzemowymi, które zasilają silniki trakcyjne napięciem do 1200 woltów prądu stałego.

Pierwsze lokomotywy spalinowo-elektryczne i wiele z tych, które nadal są w eksploatacji, wykorzystują generatory prądu stałego, ponieważ przed krzemową elektroniką mocy łatwiej było kontrolować prędkość silników trakcyjnych prądu stałego. Większość z nich miała dwa generatory: jeden do generowania prądu wzbudzenia dla większego generatora głównego.

Opcjonalnie generator dostarcza również zasilanie w części czołowej (HEP) lub energię do elektrycznego ogrzewania pociągu . Opcja HEP wymaga stałej prędkości obrotowej silnika, zwykle 900 obr/min dla aplikacji HEP 480 V 60 Hz, nawet gdy lokomotywa się nie porusza.

Alternatory morskie

Alternatory morskie stosowane na jachtach są podobne do alternatorów samochodowych, z odpowiednią adaptacją do środowiska słonowodnego. Alternatory morskie są zaprojektowane tak, aby były przeciwwybuchowe (zabezpieczone przed zapłonem), tak aby iskrzenie szczotek nie powodowało zapłonu wybuchowych mieszanin gazów w środowisku maszynowni. Mogą mieć napięcie 12 lub 24 V w zależności od typu 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 podzielona między akumulator rozruchowy silnika a akumulator domowy lub domowy (lub akumulatory) za pomocą diody dzielonego ładowania ( izolator akumulatora ) lub przekaźnika czułego na napięcie. Ze względu na wysoki koszt dużych baterii akumulatorów domowych, alternatory Marine zazwyczaj używają zewnętrznych regulatorów. Wielostopniowe regulatory kontrolują prąd pola, aby zmaksymalizować skuteczność ładowania (czas ładowania) i żywotność baterii. Regulatory wielostopniowe można zaprogramować dla różnych typów baterii. Można dodać dwa czujniki temperatury, jeden dla akumulatora do regulacji napięcia ładowania i czujnik nadmiernej temperatury na rzeczywistym alternatorze, aby chronić go przed przegrzaniem.

Alternatory radiowe

Alternatory wysokiej częstotliwości typu o zmiennej reluktancji zostały wykorzystane komercyjnie do transmisji radiowej w pasmach radiowych niskiej częstotliwości. Wykorzystano je do transmisji kodu 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 w wyniku 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.

Zobacz też

Bibliografia

Zewnętrzne linki

• White, Thomas H., „ Rozwój alternatora-nadajnika (1891-1920) ”. EarlyRadioHistory.pl.
• Alternatory w Integrated Publishing (TPub.com)
• Drewniany alternator o niskich obrotach , ForceField, Fort Collins, Kolorado, USA
• Zrozumienie alternatorów 3-fazowych w WindStuffNow
• Alternator, łuk i iskra. Pierwsze nadajniki bezprzewodowe (strona główna G0UTY)