Введение

Устройство, преобразующее другие виды энергии в электрическую.

В производстве электроэнергии генератор – это устройство, преобразующее энергию движения (потенциальную и кинетическую энергию) или энергию топлива (химическую энергию) в электрическую энергию для использования во внешней цепи. Источники механической энергии включают паровые турбины, газовые турбины, гидротурбины, двигатели внутреннего сгорания, ветряные турбины и даже ручные приводы. Первый электромагнитный генератор, диск Фарадея, был изобретен в 1831 году британским ученым Майклом Фарадеем. Генераторы обеспечивают почти всю мощность для электрических сетей. Помимо генераторов, использующих энергию движения, фотоэлектрические и топливные элементы используют, соответственно, солнечную энергию и водородное топливо для выработки электроэнергии. Обратное преобразование электрической энергии в механическую осуществляет электродвигатель, и двигатели с генераторами имеют много общего. Многие двигатели способны генерировать электричество из механической энергии.

История

До того, как была открыта связь между магнетизмом и электричеством, были изобретены электростатические генераторы. Они работали на основе электростатических принципов, используя движущиеся электрически заряженные ленты, пластины и диски, которые переносили заряд на электрод с высоким потенциалом. Заряд создавался одним из двух механизмов: электростатической индукцией или трибоэлектрическим эффектом. Такие генераторы вырабатывали очень высокое напряжение и низкий ток. Из-за их неэффективности и сложности изоляции машин, создающих очень высокие напряжения, электростатические генераторы имели низкую мощность и никогда не использовались для производства коммерчески значимых объемов электроэнергии. Их единственным практическим применением было питание ранних рентгеновских трубок, а позднее – некоторых ускорителей заряженных частиц.

Генератор дисков Фарадея

Принцип работы электромагнитных генераторов был открыт в 1831–1832 годах Майклом Фарадеем. Принцип, впоследствии названный законом Фарадея, заключается в том, что в электрическом проводнике, охватывающем изменяющийся магнитный поток, генерируется электродвижущая сила. Браге также построил первый электромагнитный генератор, названный диском Фарадея – тип гомополярного генератора, использующий медный диск, вращающийся между полюсами подковообразного магнита. Он вырабатывал небольшое постоянное напряжение. Эта конструкция была неэффективна из-за самокомпенсирующихся встречных потоков тока в областях диска, не находящихся под воздействием магнитного поля. В то время как ток наводился непосредственно под магнитом, в областях, находящихся вне зоны действия магнитного поля, ток циркулировал в обратном направлении. Этот встречный поток ограничивал выходную мощность на отводящих проводах и вызывал нежелательный нагрев медного диска. Более поздние гомополярные генераторы решили эту проблему, используя массив магнитов, расположенных по периметру диска, для поддержания стабильного эффекта поля в одном направлении тока. Другим недостатком было очень низкое выходное напряжение, обусловленное единственным путем тока через магнитный поток. Экспериментаторы обнаружили, что использование нескольких витков провода в катушке позволяет получить более высокое и полезное напряжение. Поскольку выходное напряжение пропорционально числу витков, генераторы можно было легко проектировать для получения любого желаемого напряжения, изменяя количество витков. Обмотки стали базовым элементом всех последующих конструкций генераторов.

Джедлик и феномен самовозбуждения

Независимо от Фарадея, Аньош Йедлик начал экспериментировать в 1827 году с электромагнитными вращающимися устройствами, которые он назвал электромагнитными самовращателями. В прототипе однополюсного электрического стартера (завершенном между 1852 и 1854 годами) как неподвижные, так и вращающиеся части были электромагнитными. Это также стало открытием принципа самовозбуждения динамо-машины, который заменил конструкции с постоянными магнитами. Он, возможно, сформулировал концепцию динамо-машины в 1861 году (до Сименса и Уитстона), но не запатентовал её, полагая, что он не был первым, кто пришел к этому пониманию.

Генераторы постоянного тока

Катушка проволоки, вращающаяся в магнитном поле, производит ток, который меняет направление с каждым вращением на 180°, переменный ток (AC). Однако многие ранние области применения электричества требовали постоянного тока (DC). В первых практических электрических генераторах, называемых динамо, переменный ток преобразовывался в постоянный с помощью коммутатора – набора вращающихся контактных пластин на валу якоря. Коммутатор менял подключение обмотки якоря к цепи при каждом повороте вала на 180°, создавая пульсирующий постоянный ток. Один из первых динамо был построен Ипполитом Пикси в 1832 году. Динамо стало первым электрическим генератором, способным обеспечивать энергией промышленность. Электрический генератор Вулрича 1844 года, хранящийся сейчас в музее Thinktank, Бирмингемский научный музей, является самым ранним электрическим генератором, использовавшимся в промышленном процессе. Он применялся фирмой Элкингтонов для коммерческого электропластирования. Современное динамо, пригодное для использования в промышленных целях, было независимо изобретено сэром Чарльзом Уитстоуном, Вернером фон Сименсом и Сэмюэлем Альфредом Варли. Варли получил патент 24 декабря 1866 года, а Сименс и Уитстоун объявили о своих открытиях 17 января 1867 года, причем последний представил доклад о своем открытии в Королевское общество. "Динамоэлектрическая машина" использовала катушки электромагнитного поля с самовозбуждением, а не постоянные магниты, для создания поля статора. Конструкция Уитстоуна была схожа с конструкцией Сименса, за исключением того, что в конструкции Сименса статорные электромагниты были включены последовательно с ротором, а в конструкции Уитстоуна – параллельно. Использование электромагнитов вместо постоянных магнитов значительно увеличило выходную мощность динамо и впервые позволило генерировать большие мощности. Это изобретение напрямую привело к первому крупномасштабному промышленному использованию электричества. Например, в 1870-х годах Сименс использовал электромагнитные динамо для питания электрических дуговых печей для производства металлов и других материалов. Разработанная динамо-машина состояла из стационарной конструкции, обеспечивающей магнитное поле, и набора вращающихся обмоток, вращающихся в этом поле. В больших машинах постоянное магнитное поле обеспечивается одним или несколькими электромагнитами, которые обычно называют катушками поля. Большие динамо для выработки электроэнергии сейчас встречаются редко из-за почти повсеместного использования переменного тока для распределения электроэнергии. До внедрения переменного тока очень большие динамо постоянного тока были единственным средством производства и распределения электроэнергии. Переменный ток стал доминирующим благодаря возможности его легкого преобразования в очень высокие напряжения и обратно, что позволяет снизить потери при передаче на большие расстояния.

Синхронные генераторы (генераторы переменного тока)

Благодаря ряду открытий, динамо было заменено многими последующими изобретениями, особенно генератором переменного тока, способным вырабатывать переменный ток. Обычно их называют синхронными генераторами (СГ). Синхронные машины подключаются к сети напрямую и требуют точной синхронизации при запуске. Кроме того, они возбуждаются с помощью специального управления для повышения стабильности энергосистемы. Системы генерации переменного тока были известны в простых формах со времен первоначального открытия Майкла Фарадея явления электромагнитной индукции. Сам Фарадей построил один из первых генераторов переменного тока. Его машина представляла собой «вращающийся прямоугольник», принцип работы которого был гетерополярным: каждый активный проводник последовательно проходил через области с противоположным направлением магнитного поля. В 1882 году британский электрик Дж. Э. Гордон построил крупные двухфазные генераторы переменного тока. Первая публичная демонстрация «системы генераторов» состоялась в 1886 году и была проведена Уильямом Стэнли-младшим, сотрудником компании Westinghouse Electric. Себастьян Зиани де Ферранти основал компанию Ferranti, Thompson and Ince в 1882 году для продажи своего генератора переменного тока Ferranti Thompson, изобретенного при содействии известного физика лорда Кельвина. Его ранние генераторы вырабатывали частоту от 100 до 300 Гц. Ферранти спроектировал электростанцию Дептфорд для Лондонской электроснабжающей корпорации в 1887 году, используя систему переменного тока. После завершения строительства в 1891 году она стала первой по-настоящему современной электростанцией, обеспечивающей подачу высоковольтного переменного тока, который затем понижался для потребительского использования на каждой улице. Эта базовая система остаётся в использовании по всему миру и сегодня. После 1891 года были внедрены многофазные генераторы переменного тока для подачи токов нескольких различных фаз. Впоследствии были разработаны генераторы переменного тока для различных частот переменного тока от шестнадцати до примерно ста герц, предназначенные для использования с дуговым освещением, лампами накаливания и электродвигателями.

Самовозбуждение

По мере роста требований к генерации электроэнергии в больших масштабах возникло новое ограничение – магнитные поля, создаваемые постоянными магнитами. Перенаправление небольшой части вырабатываемой генератором энергии на электромагнитную катушку позволило генератору производить значительно больше мощности. Этот принцип получил название самовозбуждения. Полевые катушки подключаются последовательно или параллельно с обмоткой якоря. Когда генератор начинает вращаться, небольшое количество остаточного магнетизма в железном сердечнике обеспечивает начальное магнитное поле, генерируя небольшой ток в якоре. Этот ток проходит через полевые катушки, создавая более сильное магнитное поле, которое, в свою очередь, генерирует больший ток в якоре. Этот процесс "самозапуска" продолжается до тех пор, пока магнитное поле в сердечнике не стабилизируется из-за насыщения, и генератор не достигнет устойчивого режима работы. На очень крупных электростанциях часто используется отдельный, меньший генератор для возбуждения полевых катушек основного генератора. В случае серьезного и масштабного отключения электроэнергии, когда электростанции оказываются изолированными, им может потребоваться выполнить "черный пуск" для возбуждения полей своих крупнейших генераторов и восстановления электроснабжения потребителей.

Прямое течение (DC)

Динамо использует коллекторы для выработки постоянного тока. Оно является самовозбужденным, то есть его электромагниты возбуждаются собственным выходным током машины. Другие типы генераторов постоянного тока используют отдельный источник постоянного тока для питания магнитов возбуждения.

Гомополярный генератор

Гомополярный генератор — это генератор постоянного тока, состоящий из электропроводящего диска или цилиндра, вращающегося в плоскости, перпендикулярной однородному статическому магнитному полю. Между центром диска и его краем (или концами цилиндра) возникает разность потенциалов, электрическая полярность которой зависит от направления вращения и ориентации поля. Он также известен как униполярный генератор, ациклический генератор, дисковый динамо или диск Фарадея. Напряжение обычно невелико, порядка нескольких вольт для небольших демонстрационных моделей, но крупные исследовательские генераторы могут выдавать сотни вольт, а некоторые системы используют несколько генераторов, соединенных последовательно, для получения еще большего напряжения. Они примечательны тем, что способны генерировать огромные электрические токи, вплоть до миллиона и более ампер, поскольку внутреннее сопротивление гомополярного генератора может быть очень низким.

Магнитно-гидродинамический генератор (MHD)

Магнитно-гидродинамический генератор напрямую преобразует энергию движущихся горячих газов в электрическую, пропуская их через магнитное поле, без использования вращающихся электромагнитных устройств. Изначально генераторы МГД разрабатывались потому, что выхлоп плазменного МГД-генератора представляет собой пламя, способное эффективно нагревать котлы паровой электростанции. Первой практической конструкцией был AVCO Mk. 25, разработанный в 1965 году. Правительство США выделило значительные средства на разработку, что привело к созданию демонстрационной установки мощностью 25 МВт в 1987 году. В Советском Союзе с 1972 по конец 1980-х годов МГД-установка U 25 регулярно работала в составе московской энергосистемы, выдавая 25 МВт – это была самая мощная МГД-установка в мире на тот момент. В настоящее время (2007) МГД-генераторы, работающие в качестве предварительного цикла, менее эффективны, чем газотурбинные установки комбинированного цикла.

Индукционный генератор

Индукционные двигатели переменного тока могут использоваться как генераторы, преобразуя механическую энергию в электрический ток. Индукционные генераторы работают, механически вращая свой ротор быстрее синхронной скорости, создавая отрицательное скольжение. Обычный асинхронный двигатель переменного тока обычно может быть использован в качестве генератора без каких-либо изменений в конструкции. Индукционные генераторы полезны в таких областях применения, как мини-гидроэлектростанции, ветряные турбины или для снижения давления в газовых потоках, поскольку они позволяют восстанавливать энергию с помощью относительно простых систем управления. Для их запуска не требуется дополнительная схема, так как вращающееся магнитное поле создается за счет индукции от собственного поля. Также им не требуется оборудование для регулирования скорости, поскольку они по своей природе работают на частоте подключенной сети. Индукционному генератору необходимо питание с опережающим напряжением, которое обычно обеспечивается подключением к электрической сети или самовозбуждением с помощью фазосдвигающих конденсаторов.

Линейный электрический генератор

В простейшей форме линейного электрического генератора скользящий магнит движется вперед и назад сквозь соленоид – медную проволоку или катушку. Переменный ток наводится в проволоке или витках проволоки по закону электромагнитной индукции Фарадея каждый раз, когда магнит проходит сквозь него. Этот тип генератора используется в фонарике Фарадея. Более крупные линейные генераторы используются в схемах преобразования энергии волн.

генераторы постоянной частоты с переменной скоростью

Генераторы, подключенные к сети, выдают мощность на постоянной частоте. Для синхронных или индукционных генераторов скорость первичного двигателя, вращающего вал генератора, должна быть определенной (или находиться в узком диапазоне) для выдачи мощности на требуемой сетевой частоте. Механические устройства регулирования скорости могут расходовать значительную часть входной энергии для поддержания заданной фиксированной частоты. Если же жесткое регулирование скорости первичного двигателя непрактично или нежелательно, в качестве генераторов могут использоваться электрические машины с двойным питанием. С помощью силовой электроники они способны регулировать выходную частоту до необходимого значения в более широком диапазоне скоростей вала генератора. Альтернативно, можно использовать стандартный генератор без попыток регулирования частоты, а полученная мощность преобразуется в требуемую выходную частоту с помощью комбинации выпрямителя и инвертора. Допущение более широкого диапазона скоростей первичного двигателя может повысить общую выработку энергии установкой, но потребует более сложных генераторов и систем управления. Например, ветрогенератор с фиксированной частотой может нуждаться в сбросе избыточной энергии при сильном ветре, в то время как система с переменной скоростью позволит использовать энергию, доступную при высокой скорости ветра.

Электростанция

Электростанция, также известная как электроустановка или энергоблок, а иногда и генераторная станция, – это промышленный объект, предназначенный для выработки электроэнергии. Большинство электростанций оснащены одним или несколькими генераторами – машинами, преобразующими механическую энергию в трехфазный электрический ток. Электрический ток возникает благодаря относительному движению между магнитным полем и проводником. Источник энергии, используемый для вращения генератора, может быть самым разным. Большинство электростанций в мире используют ископаемое топливо, такое как уголь, нефть и природный газ, для производства электроэнергии. К более экологичным источникам относятся ядерная энергия, а также все более широко используемые возобновляемые источники, такие как солнечная энергия, энергия ветра, волн и проточной воды.

Дорожные транспортные средства

Автомобилям требуется электрическая энергия для питания приборов, обеспечения работы двигателя и зарядки аккумуляторов. До примерно 1960-х годов в автомобилях обычно использовались генераторы постоянного тока (динамо) с электромеханическими регуляторами. В соответствии с вышеупомянутой исторической тенденцией и по тем же причинам, они теперь заменены генераторами переменного тока со встроенными выпрямительными цепями.

Велосипеды

Велосипеды требуют энергии для питания фар и другого оборудования. На велосипедах используются два распространенных типа генераторов: бутылочные динамо, которые приводятся в действие от шины велосипеда по мере необходимости, и динамо-втулки, которые непосредственно соединены с трансмиссией велосипеда. Название условно, поскольку это небольшие генераторы переменного тока с постоянными магнитами, а не самовозбуждаемые генераторы постоянного тока, как традиционные динамо. Некоторые электровелосипеды оснащены системой регенеративного торможения, при которой двигатель используется как генератор для частичного восстановления энергии при торможении.

Парусные лодки

Для подзарядки аккумуляторов на парусных судах может использоваться генератор, приводимый в действие водой или ветром. Небольшой гребной винт, ветряная турбина или турбина подключены к генератору небольшой мощности для выработки тока при обычных скоростях ветра или скорости хода судна.

Рекреационные транспортные средства

Автодомам требуется дополнительный источник питания для работы бортового оборудования, включая кондиционеры и холодильники. Розетка для автодома подключается к электрогенератору для обеспечения стабильного электроснабжения.

Электрические скутеры

Электрические скутеры с регенеративным торможением стали популярными во всем мире. Инженеры используют системы рекуперации кинетической энергии в конструкции скутера для снижения энергопотребления и увеличения запаса хода до 40–60%, просто восстанавливая энергию при помощи магнитного тормоза, который вырабатывает электрическую энергию для последующего использования. Современные модели развивают скорость до 25–30 км/ч и могут проезжать до 35–40 км.

Генсет

Мотор-генератор – это комбинация электрического генератора и двигателя (первичного двигателя), смонтированных вместе для создания единого, автономного устройства. Обычно используются поршневые двигатели, но также могут применяться газовые турбины, и существуют даже гибридные дизель-газовые установки, называемые двухтопливными. Доступно множество различных модификаций мотор-генераторов – от очень маленьких портативных бензиновых установок до крупных турбинных установок. Главное преимущество мотор-генераторов заключается в возможности независимого электроснабжения, что позволяет использовать их в качестве резервных источников питания.

Электрогенераторы, работающие на человеческом двигателе

Генератор также может приводиться в действие мускульной силой человека (например, в полевом радиостанционном оборудовании). Электрогенераторы, работающие от человеческой энергии, доступны в продаже и являются проектом для некоторых энтузиастов-самодельщиков. Обычно такие генераторы приводятся в действие педальным приводом, переделанным велосипедным тренажером или ножным насосом и могут использоваться для зарядки аккумуляторов, а в некоторых случаях оснащены встроенным инвертором. В среднем "здоровый человек" способен вырабатывать стабильные 75 ватт (0,1 лошадиной силы) в течение восьми часов, в то время как "первоклассный спортсмен" может вырабатывать около 298 ватт (0,4 лошадиной силы) в течение аналогичного периода, после чего потребуется неопределенное время для отдыха и восстановления. При мощности 298 ватт "здоровый человек" истощится в течение 10 минут. Фактическая вырабатываемая электрическая мощность будет меньше из-за эффективности генератора. Портативные радиоприемники с ручным приводом создаются для снижения затрат на покупку батарей, см. радиоприемник с часовым механизмом. В середине 20-го века педальные радиостанции использовались по всей австралийской глубинке для обеспечения образования (Школа по радио), медицинского обслуживания и других потребностей в отдаленных станциях и поселках.

Механическое измерение

Тахогенератор – это электромеханическое устройство, вырабатывающее выходное напряжение, пропорциональное скорости вращения его вала. Он может использоваться как указатель скорости или в системе обратной связи для регулирования скорости. Тахогенераторы часто применяются для питания тахометров, предназначенных для измерения скорости вращения электродвигателей, двигателей внутреннего сгорания и оборудования, приводимого ими в движение. Генераторы вырабатывают напряжение, приблизительно пропорциональное скорости вращения вала. При точной конструкции и разработке генераторы могут быть созданы для выдачи очень точного напряжения в определенных диапазонах скоростей вращения вала.

Эквивалентная схема

Эквивалентная схема генератора и нагрузки показана на смежной диаграмме. Генератор представлен абстрактным генератором, состоящим из идеального источника напряжения и внутреннего сопротивления. Параметры генератора могут быть определены путем измерения сопротивления обмотки (скорректированного до рабочей температуры) и измерения напряжения холостого хода и напряжения под нагрузкой при заданном токе нагрузки. Это простейшая модель генератора, для более точного представления может потребоваться добавление дополнительных элементов. В частности, можно добавить индуктивность для учета индуктивности обмоток и магнитного потока рассеяния, однако полное представление может оказаться значительно сложнее.