Генератор струму. Пристрій і прицип дії генератора.

14.08.2015

Генератор струму. Пристрій і прицип дії генератора.

Генератор струму перетворює механічну (кінетичну) енергію в електроенергію. В енергетиці користуються тільки обертовими електромашинним генераторами, заснованими на виникненні електрорушійної сили (ЕРС) в провіднику, на який якимось чином діє змінне магнітне поле. Ту частину генератора, яка призначена для створення магнітного поля, називають індуктором, а частина, в якій індукується ЕРС – якорем.

Обертову частину машини називають ротором. а нерухому частину – статором. У синхронних машинах змінного струму індуктором зазвичай є ротор, а в машинах постійного струму – статор. В обох випадках індуктор представляє собою зазвичай двох — або багатополюсну електромагнітну систему, забезпечену обмоткою збудження, що живиться постійним струмом (струмом збудження), але зустрічаються і індуктори, що складаються із системи постійних магнітів. В індукційних (асинхронних) генераторах змінного струму індуктор і якір не можуть чітко (конструктивно) відрізнятися один від одного (можна сказати, що статор і ротор одночасно є і індуктором і якорем).

Більше 95 % електроенергії на електростанціях світу проводиться за допомогою синхронних генераторів змінного струму. За допомогою обертового індуктора в цих генераторах створюється обертове магнітне поле, наводячи в статорної (зазвичай трифазної) обмотці змінну ЕРС, частота якої точно відповідає частоті обертання ротора (знаходиться в синхронізмі з частотою обертання індуктора). Якщо індуктор, наприклад, має два полюси і обертається з частотою 3000 r/min (50 r/s), то в кожній фазі обмотки статора індукується змінна ЕРС частотою 50 Hz. Конструктивне виконання такого генератора спрощено зображено на рис. 1.

Генератор струму. Пристрій і прицип дії генератора.

Рис. 1. Принцип пристрою двополюсного синхронного генератора. 1 статор (якір), 2 ротор (індуктор), 3 вал, 4 корпус. U-X, V Y, W-Z – розміщені в пазах статора частини обмоток трьох фаз

Магнітна система статора являє собою спресований пакет тонких сталевих листів, в пазах якого розташовується статорна обмотка. Обмотка складається з трьох фаз, зсунутих у разі двополюсної машини один щодо одного на 1/3 периметра статора; у фазних обмотках індукуються, отже, ЕРС, які зсунуті один відносно одного на 120 o. Обмотка кожної фази, в свою чергу, складається з многовитковых котушок, з’єднаних між собою послідовно або паралельно. Один з найбільш простих варіантів конструктивного виконання такої трифазної обмотки двополюсного генератора спрощено представлений на рис. 2 (зазвичай число котушок в кожній фазі більше, ніж показано на рисунку). Ті частини котушок, які знаходяться поза пазів, на лобовій поверхні статора, називаються лобовими сполуками.

Генератор струму. Пристрій і прицип дії генератора.

Рис. 2. Найпростіший принцип пристрою статорної обмотки трифазного двополюсного синхронного генератора у випадку двох котушок в кожній фазі. 1 розгортка поверхні магнітної системи статора, 2 котушки обмотки, U, V, W початку фазних обмоток, X, Y, Z кінці фазних обмоток

Полюсів індуктора і, відповідно з цим, полюсних поділок статора, може бути й більше двох. Чим повільніше обертається ротор, тим більше повинно бути при заданій частоті струму число полюсів. Якщо, наприклад, ротор обертається з частотою 300 r/min, то число полюсів генератора, для отримання частоти змінного струму 50 Hz, має бути 20. Наприклад, на одній з найбільших гідроелектростанцій світу, ГЕС Ітайпу (Itaipu, див. рис. 4) генератори, що працюють на частоті 50 Hz, виконані 66-полюсними, а генератори, що працюють на частоті 60 Hz – 78-полюсними.

Обмотка збудження двох — або чотирьохполюсних генератора розміщується, як показано на рис. 1, в пазах масивного сталевого сердечника ротора. Така конструкція ротора необхідна у випадку швидкохідних генераторів, що працюють при частоті обертання 3000 1500 r/min (особливо для турбогенераторів, призначених для з’єднання з паровими турбінами), так як при такій швидкості на обмотку ротора діють великі відцентрові сили. При більшому числі полюсів кожен полюс має окрему обмотку збудження (рис. 3.12.3). Такий явнополюсный принцип пристрою застосовується, зокрема, у разі тихохідних генераторів, призначених для з’єднання з гидротурбинами (гідрогенераторів), що працюють зазвичай при частоті обертання від 60 r/min до 600 r/min.

Дуже часто такі генератори, згідно з конструктивним виконанням потужних гідротурбін, виконуються з вертикальним валом.

Генератор струму. Пристрій і прицип дії генератора.

Рис. 3. Принцип пристрою ротора тихохідного синхронного генератора. 1 полюс, 2 обмотка збудження, 3 колесо кріплення, 4 вал

Обмотку збудження синхронного генератора зазвичай живлять постійним струмом від зовнішнього джерела через контактні кільця на валу ротора. Раніше для цього передбачався спеціальний генератор постійного струму (збудник), жорстко зв’язаний з валом генератора, а в даний час використовуються більш прості і дешеві напівпровідникові випрямлячі. Зустрічаються і системи збудження, вбудовані в ротор, в яких індукується ЕРС обмотки обмоткою. Якщо для створення магнітного поля замість електромагнітної системи використовувати постійні магніти, то джерело струму збудження відпадає і генератор стає значно простіше і надійніше, але в той же час і дорожче. Тому постійні магніти застосовуються зазвичай у відносно малопотужних генераторів потужністю до декількох сотень кіловат).

Конструкція турбогенераторів, завдяки циліндричного ротора відносно малого діаметра, дуже компактна. Їх питома маса складає зазвичай 0,5…1 kg/kW, і їх номінальна потужність можеь досягати 1600 MW. Пристрій гідрогенераторів дещо складніше, діаметр ротора великий і питома маса їх тому зазвичай 3,5…6 kg/kW. До цього часу вони виготовлялися номінальною потужністю до 800 MW.

При роботі генератора в ньому виникають втрати енергії, викликані активним опором обмоток (втрати в міді), вихровими струмами і гістерезисом в активних частинах магнітної системи (втрати в сталі) і тертям в підшипниках обертових частин (втрати на тертя). Незважаючи на те, що сумарні втрати зазвичай не перевищують 1…2 % потужності генератора, відвід тепла, звільняється в результаті втрат, може виявитися скрутним. Якщо спрощено вважати, що маса генератора пропорційна його потужності, то його лінійні розміри пропорційні кореню кубічному потужності, а поверхневі розміри – потужності в ступені 2/3. Із збільшенням потужності, отже, поверхня тепловідведення зростає повільніше, ніж номінальна потужність генератора. Якщо при потужностях порядку декількох сотень кіловат достатньо застосовувати природне охолодження, то при великих потужностях необхідно перейти на примусову вентиляцію і, починаючи приблизно з 100 MW, використовувати замість повітря водень. При ще великих потужностях (наприклад, понад 500 MW) необхідно доповнити водневе охолодження водним. У великих генераторах треба спеціально охолоджувати і підшипники, зазвичай використовуючи для цього циркуляцію масла.

Тепловиділення генератора можна значно зменшити шляхом застосування надпровідних обмоток збудження. Перший такий генератор (потужністю 4 MVA), призначений для застосування на судах, виготовила в 2005 році німецька електротехнічна фірма Сіменс (Siemens AG) [3.24]. Номінальна напруга синхронних генераторів, у залежності від потужності, знаходиться зазвичай в межах від 400 V до 24 kV. Використовувалися і більш високі номінальні напруги (до 150 kV), але надзвичайно рідко. Крім синхронних генераторів мережевої частоти (50 Hz або 60 Hz) випускаються і високочастотні генератори (до 30 кгц) і генератори низької частоти (16,67 Hz або 25 Hz), використовувані на електрифікованих залізницях деяких європейських країн. До синхронних генераторів відноситься, в принципі, і синхронний компенсатор, який представляє собою синхронний двигун, що працює на холостому ходу і віддає у високовольтну розподільну мережу реактивну потужність. За допомогою такої машини можна покрити споживання реактивної потужності місцевих промислових електроспоживачів і звільнити основну мережу енергосистеми від передачі реактивної потужності.

Крім синхронних генераторів відносно рідко і при відносно малих потужностях (до декількох мегават) можуть використовуватися і асинхронні генератори. В обмотці ротора такого генератора індукується струм магнітним полем статора, якщо ротор обертається швидше, ніж статорних обертове магнітне поле мережевої частоти. Необхідність у таких генераторах виникає зазвичай тоді, коли неможливо забезпечити незмінну швидкість обертання первинного двигуна (наприклад, вітряної турбіни, деяких малих гідротурбін тощо).

генератора постійного струму магнітні полюси разом з обмоткою збудження розташовуються зазвичай в статорі, а обмотка якоря – в роторі. Так як в обмотці ротора при його обертанні індукується змінна ЕРС, то якір необхідно забезпечувати колектором (комутатором), за допомогою якого на виході генератора (на щітках колектора) отримують постійну ЕРС. В даний час генератори постійного струму застосовуються рідко, так як постійний струм простіше отримувати за допомогою напівпровідникових випрямлячів.

До электромашинным генераторам відносяться і електростатичні генератори. на обертової частини яких шляхом тертя (трибоэлектрически) створюється електричний заряд високої напруги. Перший такий генератор (обертається вручну сірчаний куля, який электризовался при терті об руку людини) виготовив у 1663 році мер міста Магдебурга (Magdeburg, Німеччина) Отто-фон-Гюріке (Otto von Guericke, 1602-1686). В ході свого розвитку такі генератори дозволяли відкривати багато електричні явища і закономірності. Вони і зараз не втратили свого значення як засобів проведення експериментальних досліджень з фізики.

Перший магнітоелектричних генератор виготовив 4 листопада 1831 року професор Лондонського Королівського інституту (Royal Institution) Майкл Фарадей (Michael Faraday, 1791-1867). Генератор складався з постійного підковоподібного магніту й мідного диска, що обертається між магнітними полюсами (рис. 3.12.4). При обертанні диска між віссю і краєм индуцировалась постійна ЕРС. За таким же принципом влаштовані більш досконалі уніполярні генератори, що знаходять застосування (хоча відносно рідко) і в даний час.

Генератор струму. Пристрій і прицип дії генератора.

Рис. 4. Принцип пристрою уніполярного генератора Майкла Фарадея. 1 магніт, 2 обертовий мідний диск, 3 щітки. Рукоятка диска не показана

Майкл Фарадей народився у бідній родині і після початкової школи, у віці 13 років, поступив учнем палітурника книг. За книгами він самостійно продовжував свою освіту, а у Британської енциклопедії ознайомився з електрикою, виготовив електростатичний генератор і лейденську банку. Для розширення своїх знань він почав відвідувати публічні лекції з хімії директора Королівського інституту Гемфрі Деві (Humphrey Davy, 1778-1829), а в 1813 році отримав посаду його асистента. В 1821 році він став головним інспектором цього інституту, в 1824 році – членом Королівського товариства (Royal Society) і в 1827 році – професором хімії Королівського інституту. В 1821 році він почав свої знамениті досліди з електрикою, в ході яких запропонував принцип дії електродвигуна, відкрив явище електромагнітної індукції, принцип пристрою магнітоелектричного генератора, закономірності електролізу і багато інших фундаментальних фізичних явищ. Через рік після вищеописаного досвіду Фарадея, 3 вересня 1832 року, паризький механік Іполит Пікс (Іполит Pixii, 1808-1835) виготовив на замовлення та під керівництвом основоположника електродинаміки Андре Марі Ампера (Andre Marie Ampere, 1775-1836) генератор з обертається вручну, як у Фарадея, магнітом (рис. 5). В якірній обмотці генератора Пікс індукується змінна ЕРС. Для випрямлення одержуваного струму до генератора спочатку прибудували відкритий ртутний комутатор, що перемикає полярність ЕРС при кожному напівоберті ротора, але незабаром він був замінений більш простим і безпечним циліндричним щітковим колектором, зображеним на рис. 5.

Генератор струму. Пристрій і прицип дії генератора.

Рис. 5. Принцип пристрою магнітоелектричного генератора Іполита Пікс (a), графік індукованої ЕРС (b) і графік одержуваної за допомогою колектора пульсуючої постійної ЕРС (c). Рукоятка і конусна зубчаста передача не показані

Генератор, побудований за принципом Пікс, вперше застосував у 1842 році на своєму заводі в Бірмінгемі (Birmingham) для електроживлення гальванічних ванн англійський промисловець Джон Стівен Вульрич (John Stephen Woolrich, 1790-1843), використавши в якості приводного двигуна парову машину потужністю 1 л. с. Напруга його генератора становило 3 V, номінальний струм – 25 A і ккд – близько 10 %. Такі ж, але більш потужні генератори швидко почали впроваджуватися і на інших гальванічних підприємствах Європи. У 1851 році німецький військовий лікар Вільгельм Йозеф Зинштеден (Wilhelm Josef Sinsteden, 1803-1891) запропонував використовувати в індукторі замість постійних магнітів електромагніти і живити їх струмом від меншого допоміжного генератора; він же виявив, що ккд генератора збільшиться, якщо сталевий сердечник електромагніта виготовити не масивним, а з паралельних дротів. Однак ідеї Зинштедена став реально використовувати тільки в 1863 році англійський електротехнік-самоучка Генрі Уайльд (Henry Wilde, 1833-1919), який запропонував, серед інших нововведення, насадити машину-збудник (англ. exitatrice) на вал генератора. У 1865 році він виготовив генератор небаченої досі потужності в 1 kW, за допомогою якого він міг демонструвати навіть плавку і зварювання металів.

Найважливішим удосконаленням генераторів постійного струму стало їх самозбудження. принцип якого запатентував у 1854 році головний інженер державних залізниць Данії Серен Хьерт (Soren Hjorth, 1801-1870), але не знайшла в той час практичного застосування. У 1866 році цей принцип знову відкрили незалежно один від одного декілька електротехніків, в тому числі вже згаданий Р. Уайльд, але широко відомим він став у грудні 1866 року, коли німецький промисловець Ернст Вернер фон Сіменс (Ernst Werner von Siemens, 1816-1892) застосував його в своєму компактному і високоефективному генераторі. 17 січня 1867 року в Берлінській академії наук був прочитаний його знаменитий доповідь про динамоэлектрическом принципі (про самовозбуждении). Самозбудження дозволило отказатьса від допоміжних генераторів збудження (від збудників), що обумовило можливість вироблення набагато більш дешевої електроенергії у великих кількостях. З цієї причини рік 1866 часто вважають роком зародження електротехніки сильного струму. У перших самовозбуждающихся генераторах обмотку збудження включали, як у Сіменса, послідовно (сериесно) з якірною обмоткою, але в лютому 1867 року англійський електротехнік Чарлз Уитстон (Charles Wheatstone, 1802-1875) запропонував паралельне збудження, що дозволяє краще регулювати ЕРС генератора, до якого він прийшов ще до повідомлень про послідовному збудженні, відкритому Сіменсом (рис. 6).

Генератор струму. Пристрій і прицип дії генератора.

Рис. 6. Розвиток систем збудження генераторів постійного струму. a збудження за допомогою постійних магнітів (1831), b зовнішнє збудження (1851), c послідовне самозбудження (1866), d паралельне самозбудження (1867). 1 якір, 2 обмотка збудження. Регулювальні реостати струму збудження не показані

Необхідність у генераторах змінного струму виникла в 1876 році, коли працює в Парижі російський електротехнік Павло Яблочков (1847-1894) став висвітлювати міські вулиці за допомогою виготовлених ним дугових ламп змінного струму (свічок Яблочкова). Перші необхідні для цього генератори створив паризький винахідник і промисловець Зеноб Теофіль Грам (Zenobe Theophile Gramme, 1826-1901). З початком масового виробництва ламп розжарювання в 1879 році змінний струм на деякий час втратив своє значення, але знову набув актуальності у зв’язку зі зростанням дальності передачі електроенергії в середині 1880-х років. У 1888-1890 роках власник власної науково-дослідної лабораторії Тесла-Електрик (Tesla-Electric Co. Нью-Йорк, США) емігрував в США сербський електротехнік Нікола Тесла (Nikola Tesla, 1856-1943) і головний інженер фірми АЕГ (AEG, Allgemeine Elektricitats-Gesellschaft) емігрував в Німеччину російський електротехнік Михайло Доліво-Добровольський (1862-1919) розробили трифазну систему змінного струму. У результаті почалося виробництво все більш потужних синхронних генераторів для споруджуються тепло — і гідроелектростанцій.

Важливим етапом у розвитку турбогенераторів може вважатися розробка в 1898 році циліндричного ротора співвласником швейцарського електротехнічного заводу Браун Бовері і компанія (Brown Boveri & Cie. BBC) Чарлзом Еженом Ланселотом Брауном (Charles Eugen Lancelot Brown, 1863-1924). Перший генератор з водневим охолодженням (потужністю 25 МВТ) випустила в 1937 році американська фірма Дженерал Електрик (General Electric), а з внутрипроводным водяним охолодженням – в 1956 році англійська фірма Метрополітен Віккерс (Metropolitan Vickers).

Короткий опис статті: генератор струму

Джерело: Генератор струму. Пристрій і прицип дії генератора.

Також ви можете прочитати