Введение

Устройство, преобразующее механическую энергию в электрическую

Альтернатор – это электрический генератор, преобразующий механическую энергию в электрическую энергию в виде переменного тока. В целях снижения стоимости и упрощения конструкции большинство альтернаторов используют вращающееся магнитное поле с неподвижной обмоткой. В некоторых случаях применяются линейные альтернаторы или вращающаяся обмотка со стационарным магнитным полем. В принципе, любой генератор переменного тока можно назвать альтернатором, но обычно этот термин относится к небольшим вращающимся машинам, приводимым в действие автомобильными и другими двигателями внутреннего сгорания. Альтернатор, использующий постоянный магнит для создания магнитного поля, называется магнито. Альтернаторы на электростанциях, работающих на паровых турбинах, называются турбогенераторами. Крупные трехфазные альтернаторы частотой 50 или 60 Гц на электростанциях вырабатывают большую часть электроэнергии в мире, которая распределяется по электрическим сетям.

История

Системы генерации переменного тока были известны в простых формах с момента открытия явления магнитной индукции электрического тока в 1830-х годах. Ротационные генераторы естественным образом вырабатывали переменный ток, но, поскольку спрос на него был невелик, его обычно преобразовывали в постоянный ток путем добавления коммутатора в генератор. Ранние машины были разработаны такими пионерами, как Майкл Фарадей и Ипполит Пикси. Фарадей разработал "вращающийся прямоугольник", принцип работы которого был гетерополярным – каждый активный проводник последовательно проходил через области с противоположным направлением магнитного поля. Лорд Кельвин и Себастьян Ферранти также разработали ранние генераторы переменного тока, производящие частоты от 100 до 300 Гц. В конце 1870-х годов появились первые крупномасштабные электрические системы с центральными станциями генерации для питания дуговых ламп, использовавшихся для освещения целых улиц, заводских территорий или внутренних помещений больших складов. Некоторые, например, дуговые лампы Яблочкова, представленные в 1878 году, лучше работали на переменном токе, и развитие этих ранних систем генерации переменного тока сопровождалось первым использованием термина "альтернатор". В 1883 году завод Ganz Works изобрел генератор постоянного напряжения, способный выдавать заданное выходное напряжение, независимо от величины фактической нагрузки. Внедрение трансформаторов в середине 1880-х годов привело к широкому распространению переменного тока и необходимости использования альтернаторов для его выработки. После 1891 года были разработаны многофазные альтернаторы для подачи токов нескольких различных фаз. Впоследствии альтернаторы проектировались для различных частот переменного тока от шестнадцати до примерно ста герц, для использования с дуговым освещением, лампами накаливания и электродвигателями. Специализированные радиочастотные альтернаторы, такие как альтернатор Александерсона, были разработаны в качестве долноволновых радиопередатчиков во время Первой мировой войны и использовались на нескольких мощных станциях беспроводной телеграфии до того, как их заменили передатчики на вакуумных лампах.

Принцип действия

Проводник, движущийся относительно магнитного поля, развивает в нем электродвижущую силу (ЭДС) (закон Фарадея). Эта ЭДС меняет свою полярность при движении под магнитными полюсами противоположной полярности. Как правило, вращающийся магнит, называемый ротором, вращается внутри неподвижного набора проводников, называемых статором, обмотанных катушками на железном сердечнике. Магнитное поле пересекает проводники, генерируя индуцированную ЭДС, поскольку механическое воздействие приводит к вращению ротора. Вращающееся магнитное поле индуцирует переменное напряжение в обмотках статора. Поскольку токи в обмотках статора изменяются синхронно с положением ротора, генератор является синхронным.

Синхронные скорости

Один цикл переменного тока генерируется каждый раз, когда пара полюсов проходит над точкой на стационарной обмотке. Зависимость между скоростью и частотой выражается формулой , где – частота в Гц (циклах в секунду), – количество полюсов (2, 4, 6, …), а – скорость вращения в оборотах в минуту (об/мин). В очень старых описаниях систем переменного тока частота иногда указывается в пересчете на полуциклы в минуту, при этом каждый полуцикл считается за один полуцикл; таким образом, 12 000 полуциклов в минуту соответствуют 100 Гц. Выходная частота генератора зависит от количества полюсов и скорости вращения. Скорость, соответствующая определенной частоте, называется синхронной скоростью для этой частоты. В следующей таблице приведены некоторые примеры:

Полюса Скорость вращения (об/мин), обеспечивающая 50 Гц 60 Гц 400 Гц 2 3000 3600 24000 4 1500 1800 12000 6 1000 1200 8000 8 750 900 6000 10 600 720 4800 12 500 600 4000 14 428,6 514,3 3429 16 375 450 3000 18 333,3 400 2667 20 300 360 2400 40 150 180 1200

Классификации

Альтернаторы могут быть классифицированы по способу возбуждения, числу фаз, типу ротации, способу охлаждения и области применения.

По возбуждению

Существует два основных способа создания магнитного поля, используемого в альтернаторах: с помощью постоянных магнитов, которые создают собственное постоянное магнитное поле, или с помощью полевых обмоток. Альтернаторы, использующие постоянные магниты, специально называются магнито. В других альтернаторах обмотанные полевые катушки формируют электромагнит для создания вращающегося магнитного поля. Устройство, использующее постоянные магниты для выработки переменного тока, называется альтернатором с постоянными магнитами (PMA). Генератор с постоянными магнитами (PMG) может вырабатывать как переменный, так и постоянный ток, если он оснащен коммутатором.

Генератор постоянного тока (DC) с непосредственным подключением

Этот метод возбуждения состоит в использовании небольшого генератора постоянного тока (DC), закрепленного на том же валу, что и генератор переменного тока. Генератор постоянного тока вырабатывает небольшое количество электроэнергии, достаточное для возбуждения полевых обмоток подключенного генератора переменного тока и выработки электроэнергии. Вариацией этой системы является генератор переменного тока, использующий постоянный ток от аккумулятора для первоначального возбуждения при запуске, после чего генератор становится самовозбужденным. С развитием полупроводниковых технологий стали возможны бесконтактные генераторы. Небольшие бесконтактные генераторы могут выглядеть как единый блок, но две части легко различимы в больших версиях. Большая из двух секций – основной генератор, а меньшая – возбудитель. Возбудитель имеет стационарные полевые обмотки и вращающуюся якорь (силовые обмотки). Основной генератор использует обратную конфигурацию: вращающееся поле и стационарный якорь. На роторе установлен мостовой выпрямитель, называемый вращающимся выпрямительным устройством. Не используются ни щетки, ни контактные кольца, что снижает количество изнашивающихся деталей. Основной генератор имеет вращающееся поле, как описано выше, и стационарный якорь (обмотки выработки электроэнергии). Изменение величины тока, протекающего через стационарные обмотки поля возбудителя, изменяет трехфазный выход возбудителя. Этот выход выпрямляется вращающимся выпрямительным устройством, установленным на роторе, и полученный постоянный ток питает вращающееся поле основного генератора и, следовательно, выход генератора переменного тока. В результате небольшой ток возбудителя постоянного тока косвенно управляет выходной мощностью основного генератора.

По количеству этапов

Другой способ классификации генераторов – по количеству фаз выходного напряжения. Выходное напряжение может быть однофазным или многофазным. Трёхфазные генераторы наиболее распространены, но многофазные генераторы могут быть двухфазными, шестифазными и более. В морских применениях также используется водяное охлаждение. В дорогих автомобилях могут применяться генераторы с водяным охлаждением для удовлетворения высоких потребностей электрической системы.

Электрогенераторы

Большинство электростанций используют синхронные генераторы. Подключение этих генераторов к энергосистеме требует выполнения условий синхронизации.

Автомобильные генераторы

Альтернаторы используются в современных автомобилях с двигателями внутреннего сгорания для зарядки аккумулятора и питания электрической системы во время работы двигателя. До 1960-х годов в автомобилях использовались генераторы постоянного тока с коммутаторами. С появлением доступных кремниевых диодных выпрямителей их стали заменять альтернаторами.

Дизель-электрические генераторы для локомотивов

В более поздних дизель-электрических локомотивах и дизель-электрических моторвагонных секциях главный двигатель приводит в действие генератор переменного тока, который обеспечивает электричеством тяговые двигатели (переменного или постоянного тока). В тяговый генератор обычно встроены интегральные кремниевые диодные выпрямители для подачи на тяговые двигатели постоянного тока напряжением до 1200 вольт. Первые дизель-электрические локомотивы, и многие из до сих пор находящихся в эксплуатации, использовали генераторы постоянного тока, поскольку до появления мощной силовой электроники на кремнии было проще управлять скоростью тяговых двигателей постоянного тока. Большинство из них оснащались двумя генераторами: один для создания тока возбуждения для основного генератора большего размера. Опционально генератор также может обеспечивать питание головного вагона (HEP) или питание для электрического обогрева поезда. Для опции HEP требуется постоянная скорость вращения двигателя, обычно 900 об/мин для применения HEP 480 В 60 Гц, даже когда локомотив стоит.

Морские генераторы

Морские генераторы, используемые на яхтах, аналогичны автомобильным, но с соответствующими адаптациями для работы в морской среде. Морские генераторы изготавливаются во взрывозащищенном исполнении (с защитой от воспламенения), чтобы исключить возможность воспламенения искрой взрывоопасных газовых смесей в машинном отделении. Они могут быть 12- или 24-вольтовыми, в зависимости от типа установленной системы. На крупных морских дизельных двигателях может быть установлено два или более генератора для обеспечения высокой потребности в электроэнергии современной яхты. В схемах с одним генератором мощность может распределяться между аккумуляторной батареей для запуска двигателя и бытовой (или аккумуляторами) батареей с помощью диода разделения заряда (изолятора аккумулятора) или реле, чувствительного к напряжению. В связи с высокой стоимостью больших аккумуляторных батарей для бытовых нужд, морские генераторы обычно оснащаются внешними регуляторами. Многоступенчатые регуляторы управляют током возбуждения для максимальной эффективности зарядки (скорости зарядки) и увеличения срока службы аккумулятора. Многоступенчатые регуляторы могут быть запрограммированы для работы с различными типами аккумуляторов. Можно установить два датчика температуры: один для аккумулятора, для регулировки напряжения зарядки, и датчик температуры непосредственно на генераторе для защиты от перегрева.

Альтернаторы радиостанций

Высокочастотные генераторы с переменным магнитным сопротивлением применялись в коммерческих целях для радиопередачи в низкочастотных радиодиапазонах. Они использовались для передачи телеграфного кода (кода Морзе) и, экспериментально, для передачи голоса и музыки. В генераторе Александерсона и полевая обмотка, и обмотка статора неподвижны, а ток индуцируется в статоре за счет изменения магнитного сопротивления ротора (который не имеет обмоток или токоведущих частей). Такие машины создавались для выработки радиочастотного тока для радиопередач, хотя их эффективность была невысокой.