ГЕНЕРАТОРЫ

Электрогенератор — это устройство, предназначенное для преобразования энергии механического движения в энергию электрического тока, в основном с использованием принципа электромагнитной индукции. Электрогенератор – это электрическая машина, действие которой противоположно действию электродвигателя. Задачи механического источника энергии для генератора могут выполнять: паровая машина или паровая турбина, поток воды, вращающий колесо, ветер, двигатель внутреннего сгорания или даже человеческая сила.

Генераторы делятся на генераторы переменного тока и генераторы постоянного тока.

Большинство генераторов используют механическую энергию вращения. В отличие от них, магнитогидродинамические генераторы используют прямое разделение зарядов в потоке горячего газа через магнитное поле, поэтому в их структуре нет вращающихся частей.

Электрогенератор состоит из двух основных частей: подвижного ротора и неподвижного статора. Один из них

Анимация, показывающая, как работает синхронный генератор переменного тока. Кольца на валу передают переменное напряжение на внешнюю цепь.
Части, катушки индуктивности, служат для создания магнитного поля, на другой (якоре) находятся намотанные катушки, с которых снимается электрический ток. Постоянные магниты, или электромагниты, используются для создания магнитного поля. С неподвижной обмотки удобнее снимать генерируемый большой ток, из-за чего в генераторах магниты расположены в основном на роторах.

Для всех электрогенераторов, использующих электрическую индукцию, метод преобразования механических

Импульсное напряжение постоянного тока (коллектор на оси кривошипа
) питания к электричеству одинаковое. Механическая сила подается на генератор в виде вращения механического вала. Преобразование основано на силе Лоренца, которая действует на движущиеся электрические заряды в магнитном поле. Если проводник движется поперек (перпендикулярно) магнитному полю, то сила Лоренца действует на заряды в проводнике в направлении этого проводника, следовательно  приводит их в движение. Это смещение заряда вызывает разность потенциалов и создает электрическое напряжение между концами проводника. В непрерывной анимации значение имеет только смещение проводника (или двух соответствующих участков катушки) перпендикулярно магнитному полю. Это показано красной областью. Чем сильнее изменяется площадь во время смены, тем выше напряжение. Для повышения напряжения используется несколько проводников, соединенных последовательно в виде катушки.

Такой способ работы следует отличать от принципа работы электростатических генераторов, в которых смещение электрических зарядов происходит электрическим, а не магнитным полем.

Униполярный генератор постоянного тока Униполярный генератор
 представляет собой генератор электрического постоянного тока
, содержащий электропроводящий диск или цилиндр, который вращается в плоскости, перпендикулярной однородному статическому магнитному полю. Между центром диска и ободом (или концами цилиндра) создается разность потенциалов, электрическая полярность которого зависит от направления вращения и ориентации поля.

Он также известен как униполярный осциллятор, ациклический осциллятор, дисковая динамо-машина или диск Фарадея. Напряжение обычно небольшое, порядка нескольких вольт в случае небольших демонстрационных моделей, но большие исследовательские генераторы могут производить сотни вольт, а некоторые системы имеют несколько генераторов, соединенных последовательно, чтобы создать еще большее напряжение. Они необычны тем, что могут производить огромный электрический ток более миллиона ампер, из-за того, что униполярный генератор может иметь очень низкое внутреннее сопротивление.

МГД-генератор

Магнитогидродинамический генератор извлекает электрическую энергию напрямую, из движущихся горячих газов через магнитное поле, без использования вращающихся электромагнитных компонентов. С самого начала разрабатывались МГД-генераторы, потому что плазма на выходе МГД-генератора – это пламя, способное нагревать котлы паровой электростанции. Первым практическим проектом стал AVCO Mk. 25, разработанный в 1965 году. Правительство США профинансировало значительную разработку МГД, вершиной которой в 1987 году стал демонстрационный блок мощностью 25 МВт. На постсоветском пространстве с 1972 года до конца 1980-х годов в Московской энергосистеме постоянно работала МГД-станция мощностью 25 МВт, которая на тот момент была самой мощной в мире. По состоянию на 2007 год МГД-генераторы, работающие в реверсивном цикле, стали менее эффективными, чем газовые турбины комбинированного цикла.

Асинхронный генератор
 переменного тока Асинхронные двигатели переменного тока могут использоваться в качестве генераторов
путем преобразования механической энергии в электрический ток. В индукционных генераторах ротор механически вращается быстрее синхронной скорости, что дает отрицательное проскальзывание. Обычный асинхронный двигатель переменного тока может использоваться в качестве генератора без каких-либо внутренних улучшений. Индукционные генераторы полезны для таких применений, как мини-электростанции, ветряные турбины или для уменьшения потоков газа под высоким давлением до более низкого давления, так как они могут рекуперировать энергию с помощью относительно простого управления. Они не требуют контура возбуждения, т.к. вращающееся магнитное поле обеспечивается индукцией от цепи статора. Они также не требуют регулятора скорости, так как по своей сути работают на частоте подключенной сети.

Для работы индукционный генератор должен быть первоначально возбужден напряжением питания; В основном это делается путем подключения к электросети, или иногда они самовозбуждаются с помощью фазных конденсаторов.

Линейный генератор Линейный
генератор (также называемый индукционным или виброгенератором) в своей простейшей форме может быть реализован с помощью двигателя Stelser. При этом с обеих сторон муфты свободного хода имеется катушка, в которую погружен конец поршня, на котором расположен магнит. Частота производимого переменного напряжения зависит от частоты свободного хода поршня и изменяется в зависимости от нагрузки.

Двигатель Штельцера
Отдельным примером использования этого метода являются фонари Шюттеля. Встряхивание, которое заставляет сильный неодимовый магнит перемещаться через катушку. Вырабатываемого напряжения достаточно для зарядки двухслойного конденсатора (от 1 до 2 Фарад и от 3 до 4 вольт), который впоследствии может питать одну или несколько светодиодных ламп в течение длительного периода времени. Еще один пример применения линейных генераторов,  есть накопители, оснащенные им (например, в размере АА или ААА), которые можно использовать везде для таких сберегательных устройств.

Синхронный генератор
Практически все современные генераторы меньшей мощности являются трехфазными асинхронными машинами, в то время как крупные генераторы (примерно от 0,1 МВт), а также генераторы в автомобилях и велосипедах являются синхронными электрическими машинами. Только синхронные генераторы способны обеспечить не только активную, но и реактивную мощность, необходимую для электростанций.

Название синхронный генератор означает, что частота вырабатываемого им напряжения соответствует скорости вращения ротора. Ротор, также называемый полюсным колесом, имеет электрические катушки, которые обеспечивают магнитное поле. Ротор питается от внешнего источника постоянного тока. Это может быть генератор постоянного тока, установленный на валу основного генератора (самонамагничивающийся) или отдельный выпрямитель (DC) на основе полупроводниковой технологии. Ротор создает вращающееся магнитное поле, и это вызывает напряжение в катушках статора. Катушки в статоре устанавливаются в пазы с внутренней стороны и подключаются к внешней электрической сети. Обмотки статора, также называемые анкерными секциями. Зависимость между числом пар полюсов на полюсном колесе, геометрическим расположением анкерных секций и частотой вращения ротора определяют частоту напряжения и фазовый сдвиг.

Например, относительно частоты 50 герц: считается, что паровая турбина наиболее эффективно работает при 3000 оборотах в минуту, количество полюсов генератора – два (северный и южный); Для дизеля, используемого в дизельных электростанциях, оптимальным режимом работы является 750 об/мин, тогда генератор должен иметь 8 полюсов (4 пары); Тяжелые и тихоходные гидротурбины на крупных ГЭС работают со скоростью 150 оборотов в минуту, поэтому генератор может иметь 40 (20 пар) полюсов.

Статор большого турбогенератора AEG-Turbinenfabrik, Берлин, 1955 год. Обратите внимание, что катушки покрывают всю длину статора — это называется распределенной обмоткой. Данный тип обмотки генератора является одним из нескольких способов добиться того, чтобы напряжение на выходе генератора было максимально синусоидальным. Следовательно, как напряжение, так и частота отдельных генераторов в основном определяются другими машинами в энергосистеме. Для распределительной сети очень важно, чтобы синхронные машины, географически разделенные сотнями километров, работали на одной частоте. Поэтому все основные генераторы должны иметь регулятор скорости и напряжения, чтобы частота и напряжение энергосистемы были достаточно постоянными. Несмотря на то, что один осциллятор представляет собой лишь очень малую часть производительности системы, все устройства должны поддерживать постоянную частоту и скорость вращения. Исключение составляют небольшие генераторы в портативных электростанциях, которые можно упростить и удешевить без этих регуляторов.

Крупные энергосистемы выигрывают от высокой надежности, но общая резервная мощность не должна быть непропорционально большой. Резервная мощность относится к компонентам системы (генераторам или линиям электропередач), которые не работают (часто называемый «холодным» резервом) или используются не на полную мощность (циркуляционный «горячий» резерв). Это выгодно в случае достижения перегрузки, но, в свою очередь, способствует неэффективному использованию вложенного капитала. На большой географической территории могут использоваться разные источники энергии, например, почти вся Северная Америка подключена к единой энергосистеме. Электростанции часто бывают очень сложными и дорогими, из-за этого экономия за счет их комбинации привлекательна для использования в разветвленной взаимозависимой системе, где источниками энергии являются огромные электростанции.