Введение
Устройство для преобразования электрической энергии в другую форму
Мотор-генератор (МГ-агрегат) – это устройство для преобразования электрической энергии в другую форму. МГ-агрегаты используются для преобразования частоты, напряжения или фазы электрической энергии. Они также могут применяться для гальванической развязки электрических нагрузок от сети электропитания. Крупные мотор-генераторы широко использовались для преобразования больших промышленных мощностей, а меньшие (такие, как показано на рисунке) – для преобразования энергии аккумуляторов в более высокие напряжения постоянного тока. Мотор-генератор может состоять из отдельных двигателей и генераторов, механически соединенных между собой, однако в едином блоке – динамиторе (от "динамо-мотор") – обмотки двигателя и генератора намотаны на один ротор, и двигатель с генератором используют общие внешние обмотки поля или магниты. Обычно обмотки двигателя питаются от коллектора на одном конце вала, а обмотки генератора обеспечивают выход на другой коллектор, расположенный на противоположном конце вала. Такая конструкция ротора и вала компактнее, легче и дешевле, чем использование двух отдельных машин, и не требует открытых приводных валов. Маломощные потребительские устройства, такие как ламповые автомобильные радиоприемники, не использовали дорогие, шумные и громоздкие мотор-генераторы. Вместо этого они применяли инверторную схему, состоящую из вибратора (самовозбуждающегося реле) и трансформатора, для получения более высоких напряжений, необходимых для работы вакуумных ламп, от 6- или 12-вольтовой батареи автомобиля.
Управление электрической энергией
В контексте производства электроэнергии и крупных стационарных электрических систем, двигатель-генератор состоит из электродвигателя, механически соединенного с электрическим генератором (или альтернатором). Двигатель работает от входного электрического тока, а генератор создает выходной электрический ток, при этом мощность передается между двумя машинами в виде механического крутящего момента; это обеспечивает электрическую изоляцию и некоторое сглаживание колебаний мощности между двумя электрическими системами. Одно из применений – устранение импульсов и колебаний в "некачественном" электропитании (кондиционирование электропитания) или обеспечение согласования фаз между различными электрическими системами.
генератор для маховика
Еще одно применение – сглаживание пиковых нагрузок на энергосистему. Например, установки токамаков для термоядерного синтеза создают очень большие пиковые, но относительно небольшие средние нагрузки на электрическую сеть. Токамак DIII-D в General Atomics, Принстонский Большой Тор (PLT) в Принстонской лаборатории физики плазмы и синхротрон Nimrod в лаборатории Ратерфорд-Эпплтон использовали большие маховики в составе нескольких двигатель-генераторных установок для выравнивания нагрузки на электрическую систему: моторная сторона медленно раскручивала маховик для накопления энергии, которая быстро расходовалась во время эксперимента по термоядерному синтезу, поскольку генераторная сторона выступала в роли тормоза для маховика. Аналогично, в новейшей электромагнитной катапультной системе запуска самолетов (EMALS) для авианосцев ВМС США будет использоваться двигатель-генераторная установка с маховиком для мгновенной подачи энергии при запуске самолетов, превышающей установленную мощность генераторов корабля. Помимо этих специализированных применений, генераторные системы с маховиками были коммерциализированы для использования в центрах обработки данных в качестве дополнения или альтернативы традиционным источникам бесперебойного питания (ИБП) на основе батарей или генераторов.
Ток переменного тока
До того, как стало доступным или экономически целесообразным регулирование переменного напряжения в твердотельном исполнении, для получения переменного напряжения с регулируемой величиной использовались мотор-генераторные установки. Величина постоянного напряжения, подаваемого на обмотку якоря генератора, изменялась вручную или электронным способом для управления выходным напряжением. При таком использовании мотор-генераторная установка эквивалентна изолирующему трансформатору с переменным коэффициентом трансформации.
Машины высокочастотные
Альтернатор Александерсона — это высокочастотный генератор, приводимый в движение двигателем и обеспечивающий радиочастотную мощность. В первые годы развития радиосвязи высокочастотную несущую волну приходилось генерировать механически, используя генератор с большим количеством полюсов, вращающийся на высокой скорости. Альтернаторы Александерсона генерировали радиочастоты до 600 кГц, при этом крупные установки могли выдавать мощность до 500 кВт. Хотя электромеханические генераторы регулярно использовались для передачи длинных волн в первые три десятилетия XX века, для более высоких частот требовались электронные методы. Альтернатор Александерсона к 1920-м годам в значительной степени был вытеснен ламповым генератором.
Моторные генераторы, используемые для увеличения проезда
Мотор-генераторы использовались даже в тех случаях, когда входные и выходные токи практически одинаковы. В этом случае механическая инерция мотор-генераторной установки используется для фильтрации переходных процессов во входном питании. Выходной электрический ток может быть очень чистым (без шумов) и способен выдерживать кратковременные перебои в питании и переходные процессы при коммутации на входе мотор-генераторной установки. Это может обеспечить, например, безупречный переход с питания от сети на питание переменного тока, обеспечиваемое дизель-генератором. Мотор-генераторная установка может включать в себя большой маховик для повышения её способности выдерживать кратковременные перебои, однако в этом применении необходимо учитывать, что мотор-генератор потребует значительного пускового тока при повторном включении, если оно произойдет до достижения вытяжного момента, что приведет к отключению. Величина пускового тока при повторном включении, однако, будет зависеть от многих факторов. Например, мотор-генератор мощностью 250 кВА, работающий при полной нагрузке в 300 ампер, потребует пусковой ток в 1550 ампер при повторном включении через 5 секунд. В этом примере использовался стационарно установленный маховик, размер которого обеспечивал скорость изменения частоты вращения 1/2 Гц в секунду. Мотор-генератор представлял собой вертикальную двухподшипниковую машину с подшипниками, работающими в масляной ванне. Моторы и генераторы могут быть соединены непроводящим валом в помещениях, где требуется строгий контроль электромагнитного излучения, или где необходима высокая изоляция от импульсных перенапряжений.
Современное использование двигателей-генераторов
В некоторых случаях двигатели-генераторы были заменены полупроводниковыми устройствами. В прошлом комплекты MG широко использовались в лифтах. Поскольку требовалось точное регулирование скорости подъемного механизма, а изменение частоты для мощного двигателя переменного тока было непрактичным, использование комплекта MG с двигателем постоянного тока для подъема стало практически стандартным решением в отрасли. Современная силовая электроника переменного тока с совместимыми двигателями все чаще вытесняет традиционные лифтовые установки с приводом от MG, поскольку электронные приводы переменного тока обычно на 50% или более эффективны, чем оборудование с приводом MG на постоянном токе. Другим применением комплектов MG было использование в южном регионе British Rail. Они использовались для преобразования напряжения питания 600 В постоянного тока – 850 В постоянного тока, получаемого с третьего рельса, в 70 В постоянного тока для питания цепей управления электропоездами. Впоследствии они были заменены твердотельными преобразователями в новом подвижном составе. Локомотивы MG также часто использовались в дизель-локомотивной передаче для дальних железнодорожных перевозок по всему миру из-за проблем с надежностью и износом механических и гидромеханических трансмиссий, но в настоящее время это, как правило, заменяется более компактными двигателями с обычной или MG-трансмиссией на каждом вагоне. В дальних электролокомотивах с высоковольтным воздушным питанием использовалась MG-трансмиссия, но она, как правило, заменяется распределенным приводом на каждом вагоне с электронным управлением и преобразованием мощности. Аналогично, комплекты MG использовались в трамваях PCC для получения выходного напряжения 36 В постоянного тока от тягового источника 600 В постоянного тока. Это низковольтное напряжение заряжало аккумуляторы трамвая и обеспечивало питание для цепей управления и вспомогательного оборудования (включая фары, звонки, двигатели дверей и электромагнитные тормоза). Мотор-генераторы часто использовались для обеспечения высокого тока постоянного тока для угольных дуговых ламп в больших кинопроекторах в 1950-х и 1960-х годах, до того как угольные дуговые лампы были заменены современными проекционными системами с ксеноновыми лампами (начиная с 1963 года в США). В промышленных условиях, где требуется подавление гармоник, преобразование частоты или гальваническая развязка, комплекты MG остаются популярным решением. Важной особенностью двигателей-генераторов является их способность выдерживать большие кратковременные перегрузки лучше, чем полупроводниковые устройства с аналогичной номинальной средней нагрузкой. Следует учитывать, что термически ограниченные компоненты крупного полупроводникового инвертора – это твердотельные переключатели массой всего несколько граммов с тепловой постоянной времени до их радиаторов, вероятно, более 100 мс, в то время как термически ограниченные компоненты MG – это медные обмотки массой иногда в сотни килограммов, которые прочно соединены со своей собственной большой тепловой массой. Они также обладают присущей им отличной устойчивостью к электростатическому разряду (ESD).
Современное использование термина
В принципе, любой электрический генератор может также работать как электродвигатель, и наоборот. В гибридных транспортных средствах и других малогабаритных энергосистемах "мотор-генератор" – это единая электрическая машина, которая может использоваться как электродвигатель или генератор, преобразуя электрическую энергию в механическую и наоборот. Начиная с сезона 2014 года, гоночные автомобили Формулы-1 оснащаются двумя так называемыми "мотор-генераторными установками" (MGU). Это повышает топливную экономичность автомобилей за счет рекуперации энергии от турбокомпрессора и при торможении. Однако эти установки – не мотор-генераторы в понимании, описанном здесь, а скорее динамо-машины, единые устройства, способные функционировать как генератор или двигатель. Они могут использоваться для подачи дополнительных 160 л.с. на колеса, облегчая ускорение и обгон, или для раскрутки турбины с целью более быстрого повышения давления наддува, что уменьшает турбояма.