Генераторы

Введение

Актуальность работы. Электрическая машина – главный элемент любой энергетической установки, поэтому для специалистов, работающих в сфере производства или эксплуатации электрических машин, необходимые знания не только теории и понимание физической сущности электромагнитных, механических и тепловых процессов, протекающих в электрических машинах. Не менее важным является умение разбираться в различных конструктивных формах и исполнениях электрических машин, навыки расчета требуемой мощности и выбора типоразмера электрической машины с учетом ее технических данных и конструктивного исполнения по степени защиты и способу охлаждения, вида монтажа, а также климатических условий эксплуатации.
Электрические машины - это основной элемент электроэнергетического оборудования и оборудования. Они используются для производства электрической энергии (генераторы), ее преобразования с целью передачи и последующего применения (трансформаторы) и приведение в действие рабочих машин и механизмов (двигатели).
Генератор (англ. generator, нем. Generator m) — устройство, аппарат или машина, производящая любые продукты, электроэнергию или преобразующее один вид энергии в другой.
Генераторы, в частности производят: продукты (газ, лед и т. п.), электрическую энергию (генератор электромашинный, радиосигналов и т. п.), создают электрические, электромагнитные, световые или звуковые сигналы — колебания, импульсы (например, ламповый, магнетронный, квантовый, ультразвуковой генератор).
Объект исследования: генераторы
Предмет исследования: особенности построения генераторов.
Цель работы: рассмотреть генераторы
Для осуществления поставленной цели необходимо решить задачи:
- рассмотреть виды и типы генераторов;
- дать характеристику генераторам.
1. Виды и типы генераторов
Генераторы, генераторные установки – это автономные источники электроэнергии, использующиеся в качестве резервного или основного источника электричества.
Классификация
Электромеханические: Индукционные; Электрофорная машина; Термоэлектрические; Термопары; Термоионные генераторы; Фотоэлементы; Магнитогидро(газо)динамические генераторы; Химические источники тока; Гальванические элементы; Топливные элементы; Биогенераторы
Электромеханические индукционные генераторы
На сегодняшний день наиболее распространённым типом является индукционный электромеханический генератор. Абсолютное большинство тепловых, гидравлических, ветряных, атомных, приливных, геотермальных электростанций, а так же некоторые солнечные используют этот тип генератора. Электромеханический генера́тор — это электрическая машина, в которой механическая работа преобразуется в электрическую энергию.
Устанавливает связь между ЭДС и скоростью изменения магнитного потока пронизывающего обмотку генератора.
Классификация электромеханических генераторов
- По типу первичного двигателя:
- Турбогенератор — электрический генератор, приводимый в движение паровой турбиной или газотурбинным двигателем;
- Гидрогенератор — электрический генератор, приводимый в движение гидравлической турбиной;
- Дизель-генератор — электрический генератор, приводимый в движение дизельным двигателем;
- Газотурбинный генератор - электрический генератор, приводимый в движение газотурбинным двигателем;
- Паро-генератор — электрический генератор, приводимый в движение паровой турбиной;
- Ветро-генератор - электрический генератор, преобразующий в электричество кинетическую энергию ветра;
- По виду выходного электрического тока
- Генератор постоянного тока
- Коллекторные генераторы
- Вентильные генераторы
- Генератор переменного тока
- Однофазный генератор
- Бесщёточный синхронный генератор
- Трёхфазный генератор
- С включением обмоток звездой
- С включением обмоток треугольником
- По способу возбуждения
- С возбуждением постоянными магнитами
- С внешним возбуждением
- С самовозбуждением
- С последовательным возбуждением
- С параллельным возбуждением
- Со смешанным возбуждением
В качестве резервного источника питания генераторы используют в основном при авариях или каких-нибудь неполадках в центральных электросетях для обеспечения бесперебойной подачи электроэнергии. В местах, где центральные линии электричества отсутствуют полностью (например в отдалённых экспедиционных местностях или при строительстве) генераторные установки используют как основной источник электричества.
Суть работы – преобразование механической энергии в электрическую – одинакова для всех генераторных установок. Но в то же время генераторы могут классифицироваться по очень многим параметрам: в зависимости от вида источника энергии, от вида вырабатываемого электричества, от степени мобильности, назначения и других.
Рассмотрим наиболее значимые виды классификации генераторов и основные особенности каждого из типов. Генераторы и генераторные установки могут подразделяться на типы:
В зависимости от вида источника энергии, применяемого для вращения генератора.
В качестве привода для вращения в генераторных установках может использоваться природная энергия (ветер, вода), двигатели на различных видах топлива (бензин, дизельное топливо, сжиженный или природный газ) или вал какой-либо работающей машины (например трактора).
Использование природной энергии дешево, но при этом варианты места расположения такой генераторной установки сильно ограничены климатическими условиями.
Поэтому широкое распространение получили генераторные установки, представляющие собой генераторы, соединённые с двигателями. В зависимости от используемого вида топлива данные установки могут быть бензиновыми, дизельными или газовыми.
Бензо-генераторы целесообразно использовать в случае, когда у Вас есть постоянный источник электроснабжения, но моментами бывают отключения и перебои в электроснабжении. Бензиновый электрогенератор не подходит для постоянного электроснабжения, но с огромным успехом используется в качестве временного источника питания. Расход бензина у этих электрогенераторов в среднем составляет от 1 до 2,5 л за час работы. Их недостатком является небольшой суточный ресурс работы – до 12-ти часов. Электрогенератор, работающий на бензине, значительно дешевле, чем дизельный, но стоимость топлива и техобслуживания обходится дороже.
Дизель-генераторы - мощнее, чем бензиновые и способны снабдить электроэнергией даже большой дом. В сравнении с бензиновым, имеют немного больший ресурс работы, расход топлива у них существенно ниже.
Такого рода электростанции бывают высокооборотистыми (3000 оборотов в минуту) и низкооборотистыми (1500 оборотов в минуту). Используя электростанцию около 500 моточасов в год, целесообразно применять дизельные электростанции при частоте вращения вала двигателя 3000 оборотов в минуту. Когда необходима более долгая эксплуатация, следует использовать низкооборотистые дизельные электрогенераторы, так как у них меньше расход топлива и ниже уровень шума, а ресурс работы больше. Однако при всем этом стоимость их также выше.
Газовые электрогенераторы – способны работать как от сжатого газа в баллонах, так и от газопровода. Работая на сжиженном газе, данный агрегат расходует топлива в 2 раза меньше по сравнению с бензиновыми и дизель-генераторами, а на газе из магистрали – в 17 раз. Газовый электрогенератор имеет моторесурс, как минимум, на 30% превышающий ресурс дизельного и бензинового генераторов вместе взятых. Да и срок их эксплуатации намного дольше – это связано непосредственно с используемым топливом.
Также существуют генераторы с приводом от вала отбора мощности трактора или других работающих машин. Такое оборудование применяют в крупных животноводческих хозяйствах, на свинофермах, в полях для подключения различного оборудования. Принцип работы данной техники заключается в установке на вал отбора мощности, который своим вращением приводит в действие генератор устройства.
В зависимости от вырабатываемой электроэнергии:
Постоянный или переменный ток
С частотой 50 или 60 Гц
Одна или три фазы
Для питания современных электроприборов используются генераторы переменного тока с частотой 60 Гц (американский стандарт) или 50 Гц (европейский стандарт) одно- или трёхфазные.
Однофазные генераторы – это тип источника напряжения с одной линией питания и одной линией заземления. В нём присутствует только одно напряжение, которое меняется по синусоиде. В трёхфазном генераторе подача электроэнергии осуществляется через три линии питания и одну линию заземления.
Однофазные электростанции больше подходят для домашнего использования. Главная их задача – вырабатывать переменный ток напряжением 220В, имеющий частоту 50Гц, что является аналогом обычной домашней электросети.
Трехфазные электростанции – это более сложные конструкции, позволяющие помимо обычных потребителей питать трёхфазные электроприборы (сварочные аппараты, станки и др). Любой трехфазный генератор на приборной панели обязательно имеет специальные розетки и клеммные колодки, на выходе которых ток напряжением 380/220В с частотой 50Гц. Данные аппараты являются достаточно универсальным решением, подходящим как для бытовой эксплуатации, так и для питания специализированных промышленных электроприборов.
При выборе трёхфазного генератора следует учесть, что его мощность равномерно распределяется между фазами. Другими словами, если общая мощность генератора 9 кВт, значит на каждой фазе она будет равняться 3 кВт - соответственно однофазный потребитель энергии мощностью 4 кВт запитать не получится.
Нагрузку по фазам трёхфазного генератора распределять следует так же равномерно

. Во избежание поломок нужно внимательно следить, чтобы разница в нагрузке между фазами различалась не более чем на 25%.
Категорически запрещается замыкать между собой фазы трехфазной генераторной установки.
В зависимости от степени мобильности и назначения генераторы могут быть переносными (передвижными) или стационарными.
К первым в основном относят бензиновые или дизельные портативные генераторы малой мощности для использования их на отдыхе для питания устройств небольшой мощности – зарядки аккумуляторов автомобилей, телефонов или других устройств, а также бытовые генераторы мощностью 5-7 кВт для аварийного электропитания частных домов, небольших коттеджей, кафе и т.п.
К стационарным можно отнести мощные бытовые, судовые и промышленные генераторы. Такие генераторные установки в подавляющем большинстве работают на дизельном топливе или газе.
Отдельно следует выделить сварочные и инверторные генераторы – они могут работать на любом из видов топлива.
Сварочный генератор – это особое устройство, сочетающее в себе генератор и сварочный аппарат. Сварочные генераторы обладают достаточно высокой стоимостью. Поэтому для экономии средств часто приобретают отдельно генератор и сварочный аппарат – но в таком случае велик риск ошибиться с мощностью. Электросварка – очень сложная нагрузка для работы генератора и далеко не каждая электростанция позволяет подключать сварочный аппарат.
Инверторные генераторы популярны благодаря своей способности изменять уровень производительности, в зависимости от того количества электроэнергии, которое необходимо выработать в данный момент. Если вы выключите приборы, из-за чего, конечно, количество потребляемой электроэнергии уменьшится, генератор автоматически уменьшит уровень производительности энергии. Принцип работы инвертора отличается от классической схемы работы электростанций. Он не выдаёт энергию напрямую, а копит её во встроенной аккумуляторной батарее. Ещё одно свойство инверторных генераторов, которым они отличаются от других, - это относительная бесшумность — они работают тише, чем бензиновые и тем более дизельные устройства.
В зависимости от других параметров:
Тип охлаждения (воздушный или жидкостный)
Воздушный тип охлаждения имеет относительно простое исполнение и наделён невысокими теплоотводящими способностями, поэтому их, как правило, устанавливают только на электростанции мощностью до 6 кВт. Принцип работы заключается в следующем: приток свежего воздуха, проходящий сквозь разогретые детали агрегата, охлаждает их. Поэтому устанавливать такие устройства лучше на открытом воздухе или организовать приточно-вытяжную вентиляцию.
Преимущества:
Приемлемая стоимость.
Компактные габариты аппарата и простота в обслуживании.
Поршневая система, которая отличается прекрасной износоустойчивостью, а также переносимостью высоких температур.
Генератор довольно оперативно разогревается, тем самым увеличивая коэффициент полезного действия.
Относительно низкий уровень вибрации.
Недостатки:
Ограниченные возможности использования (только для создания резервного электроснабжения). Подверженность поломкам при попадании пыли и других загрязнений.
Ресурс работы в среднем составляет около 5000 моточасов.
Высокий уровень шумности.
Непрерывная эксплуатация возможна только на протяжение 6-8 часов.
Генераторы с жидкостным охлаждением демонстрируют продолжительный ресурс работы – до 30 тысяч моточасов. Они могут выступать в роли основного источника энергии при организации электроснабжения.
Конструктивно жидкостная система представлена рубашкой охлаждения, радиатором с расширительным бачком и паровоздушным клапаном, насосом для хладагента, термостатом, вентилятором и соединительными патрубками и шлангами.
В роли охлаждающей жидкости выступает тосол, антифризы или какие-либо другие химические составы, основным компонентом которых является пропиленгликоль или этиленгликоль. А также необходимо применять специальные присадки, гарантирующие защиту основных элементов системы от коррозии и препятствующие образованию накипи.
Принцип работы состоит в следующем: двигатель приводит в действие насос, который заставляет охлаждающую жидкость циркулировать. До того момента, пока тепловыделяющие детали не нагрелись, жидкость передвигается по малому кругу, не попадая в радиатор. При увеличении температуры внутренних элементов генератора хладагент начинает циркулировать по большому кругу. Охлаждение тосола в радиаторе осуществляется благодаря постоянному поступлению свежего воздуха, который создаётся вентилятором.
К достоинствам этого типа охлаждения генераторов, можно отнести следующие:
Аппарат с таким охлаждением наиболее надёжен и долговечен.
Способен бесперебойно функционировать даже в неблагоприятных и крайне тяжёлых условиях.
Довольно неприхотлив к качеству топлива и к уровню обслуживания.
Благодаря автономности или закрытости системы такой агрегат можно эксплуатировать даже в довольно загрязнённой окружающей среде.
Надёжный уровень безопасности и отменное стабильное функционирование оборудования обеспечивают термостаты, регулирующие интенсивность охлаждения, и паровоздушный клапан, выбрасывающий пар, образующийся при этом.
Недостатки:
Требуется менять антифриз, антикоррозийные присадки и фильтры, сроки выполнения подобных работ устанавливаются изготовителем.
Необходимо постоянно очищать все детали от образовавшейся накипи.
Из-за повышенной шумности при работе генератора такого вида потребуется дополнительно приобрести шумоизолирующий кожух или организовать хорошую звукоизоляцию в помещении, где планируется установка агрегата.
Количество оборотов двигателя
При выборе дизельного генератора мощностью до 30 кВт стоит обратить внимание на число оборотов коленвала. По этому параметру двигатели разделяют на 2 типа:
1500 об/мин – позволяет эксплуатировать электростанцию без остановки в течение 10 суток;
3000 об/мин – позволяет эксплуатировать электростанцию без остановки в течение 6-8часов.
Генераторы дизельные мощностью от 30 кВт и более комплектуются исключительно двигателями 1500 об/мин.
Все бензиновые агрегаты работают исключительно на 3000 оборотах.
В зависимости от мощности (малой, средней, высокой мощности, промышленные генераторы высокого напряжения)
Правильный расчёт необходимой мощности влияет на множество факторов:
С одной стороны, если вы выберете слишком слабый генератор, он не сможет обеспечить работу приборов первой необходимости в случае сбоев подачи электроэнергии, а перегрузка генератора может привести к повреждениям как самого генератора, так и подключённых к нему приборов.
С другой стороны, если вы выберете слишком мощный генератор, вы затратите на его покупку, установку, техническое обслуживание, ремонт и топливо больше средств, чем необходимо. Выбор слишком мощного электрогенератора может привести к большим и ненужным первоначальным расходам.
Чтобы рассчитать полную мощность потребителей, нужно подсчитать суммарную мощность с учётом всех коэффициентов и небольшого запаса.
При расчёте необходимо учесть тот факт, что многие потребители (приборы, в цепь которых включены асинхронные электродвигатели, например, холодильники, электроинструменты) при пуске могут потреблять намного больше электроэнергии, чем указанная в паспортных данных мощность.
2. Характеристика генераторов
Генераторы устройство преобразующее один вид энергии в другой. Электрический генератор — это устройство, в котором неэлектрические виды энергии (механическая, химическая, тепловая) преобразуются в электрическую энергию. До того, как была открыта связь между электричеством и магнетизмом, использовались электростатические генераторы, которые работали на основе принципов электростатики. Они могли вырабатывать высокое напряжение, но имели маленький ток. Их работа была основана на использовании наэлектризованных ремней, пластин и дисков для переноса электрических зарядов с одного электрода на другой. Заряды вырабатывались, используя один из двух механизмов:
Электростатическую индукцию.
Трибоэлектрический эффект, при котором электрический заряд возникал из-за механического контакта двух диэлектриков
По причине низкой эффективности и сложностей с изоляцией машин, вырабатывающих высокие напряжения, электростатические генераторы имели низкую мощность и никогда не использовались для выработки электроэнергии в значимых для промышленности масштабах. Примерами доживших до наших машин подобного рода являются электрофорная машина и генератор Ван де Граафа.
Генератор Ван де Граафа — генератор высокого напряжения, принцип действия которого основан на электризации движущейся диэлектрической ленты. Первый генератор был разработан американским физиком Робертом Ван де Граафом в 1929 и позволял получать разность потенциалов до 80 киловольт. В 1931 и 1933 были построены более мощные генераторы, позволившие достичь напряжения до 7 миллионов вольт.
Принцип действия. Простой генератор Ван де Граафа состоит из диэлектрической (шёлковой или резиновой) ленты (4 и 5 на рисунке), вращающейся на роликах 3 и 6, причём верхний ролик диэлектрический, а нижний металлический и соединён с землёй. Один из концов ленты заключён в металлическую сферу 1. Два электрода 2 и 7 в форме щёток находятся на небольшом расстоянии от ленты сверху и снизу, причём электрод 2 соединён с внутренней поверхностью сферы 1, а электрод на 7 подаётся электрический потенциал порядка нескольких киловольт (для определённости, положительный относительно земли). Вблизи нижнего электрода воздух ионизируется, образующиеся положительные ионы под действием силы Кулона движутся к заземлённому 6 ролику и оседают на ленте, благодаря чему часть ленты, движущаяся вверх, заряжается. Лента доставляет заряд внутрь сферы 1, где он снимается щёткой 2 благодаря тому, что все заряды выталкиваются на поверхность сферы и потенциал ёе внутренней поверхности всегда равен 0