Электрический генератор представляет собой электрическую машину , то кинетическая энергия в электрической энергии преобразования. Генератор является аналогом электродвигателя , который преобразует электрическую энергию в кинетическую энергию. Он основан на принципе электромагнитной индукции, обнаруженном Майклом Фарадеем в 1831 году .

Для всех электрических генераторов, использующих электрическую индукцию, принцип преобразования механической мощности в электроэнергию одинаков. Механическая мощность 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) к магнитному полю , сила Лоренца действует на заряды в проводнике в направлении этого проводника и, таким образом, приводит их в движение. Этот сдвиг заряда вызывает разность потенциалов и генерирует электрическое напряжениемежду концами проводника. В смежной анимации имеет значение только смещение проводника (или двух соответствующих секций катушки), перпендикулярного магнитному полю. Это иллюстрируется красной областью. Чем больше изменение площади за время изменения (непрерывное расстояние проводника), тем выше напряжение. Для увеличения напряжения используются несколько проводников, соединенных последовательно в виде катушки .

Этот режим работы следует отличать от режима электростатических генераторов, в которых разделение электрических зарядов производится электрическим, а не магнитным полем.

Если купить электрогенератор, то в внутри в нем вращается ротор (также называемый ротором ) напротив неподвижного корпуса статора (также называемый статором ). Из-за вращающегося прямого магнитного поля, создаваемого ротором с постоянным магнитом или электромагнитом ( катушка поля или обмотка возбудителя ), электрическое напряжение индуцируется в проводниках или проводящих обмотках статора силой Лоренца.

В генераторах постоянного тока возникает ток в роторе (роторе), катушка поля или постоянный магнит снаружи. Сгенерированный ток выпрямляется с помощью коммутатора .

Выработанная электроэнергия равна механической мощности за вычетом потерь. Отсюда следует уравнение мощности электрического генератора:

{\ displaystyle P_ {\ mathrm {el}} = P_ {\ mathrm {mech}} -P _ {\ mathrm {v}}}

{\ displaystyle P _ {\ mathrm {el}}}является генерируемой электрической мощностью,{\ displaystyle P_ {\ mathrm {mech}}} представляет собой поставляемую механическую мощность, {\ displaystyle P _ {\ mathrm {v}}}это потеря мощности из – за механическое трение, потери меди и потери железа .

Выбранное напряжение можно контролировать силой поля возбуждения, если оно генерируется электромагнитом (электрическое возбуждение, внешнее возбуждение). Этот метод управления не только на электростанциях, но и z. B. также используется в генераторах автомобилей (генератор переменного тока).

структура

Чтобы генерировать синусоидальное напряжение в переменном токе или трехфазном синхронном генераторе, ротор должен генерировать как можно более однородное магнитное поле . В дополнение к катушке поля он также носит полюсные наконечники с грибовидным поперечным сечением, которые распределяют магнитное поле. Количество полюсов (возможно, по крайней мере, два, даже более четные числа) определяет частоту выходного напряжения с заданной скоростью. Обмотка поля должна быть очень хорошо закреплена, чтобы она выдерживала высокие центробежные силы. Избежающим условием работы является сброс нагрузки, который разрушает генератор без вмешательства регулятора , поскольку возрастающая скорость приводного пара или газовой турбины при избыточных центробежных силахприводит к обмоткам якоря. Ротор с постоянными магнитами -erregten генераторов, беличьей клеткой – или асинхронными генераторами не требует источника питания, для синхронных генераторов, подача тока осуществляется с помощью контактных колец . При использовании вспомогательных генераторов на одном и том же валу в синхронных генераторах могут отсутствовать кольца скольжения.

Обмотки генератора размещены внутри, распределенных во множестве канавок полого цилиндрического статорного ламинированного сердечника. Канавки, заполненные обмотками, снова сжимаются внутрь, а также образуют ботинки для полюсов. Внешняя оболочка ламинированного сердечника не содержит обмоток, она служит в качестве ярмо или магнитного возврата для концентрации переменного магнитного поля в обмотках.

Генераторы постоянного тока требуют коммутации (ток инвертора) для приема и устранения напряжения, генерируемого ротором. Поскольку вся генерируемая электроэнергия должна передаваться через коммутатор вместе с ними, они больше не используются сегодня. Для получения постоянного напряжения генераторы переменного тока обычно используются с выпрямителями выпрямителя , такими как генератор в автомобиле (разговорный генератор переменного тока ).

Построены асинхронные генераторы, а также асинхронные двигатели . У них нет ни полевой катушки, ни кольца скольжения, а ротора короткозамкнутого ротора . Циркулирующее магнитное поле генерируется током в обмотках генератора. Поэтому асинхронные генераторы могут подавать только питание, когда они подключены к напряжению переменного тока или уже генерируют электроэнергию. При работе на острове они загружаются конденсаторами и часто имеют небольшой постоянный магнит в роторе. Однако часто остается достаточной намагниченности.

Почти все современные генераторы меньшей мощности представляют собой трехфазные асинхронные машины , в то время как большие генераторы (приблизительно от 0,1 МВт), но и генератор в автомобиле и на велосипедах, синхронные машины. Только синхронные машины способны обеспечить не только эффективную мощность, но и реактивную мощность, требуемую для электростанций.

линейный генератор

Линейный генератор (также называемый индукционным или шейкерным генератором ) в его простейшей форме может быть реализован с помощью двигателя Стельзера . В этом случае на обеих сторонах свободного хода имеется катушка, в которую погружен конец поршня, на котором расположен магнит. Частота генерируемого переменного напряжения зависит от частоты свободного хода поршня и изменяется в зависимости от нагрузки.

Частным примером применения этого метода являются фонари Schüttel . Встряхивание приводит к тому, что сильный магнит неодима перемещается через катушку. Сгенерированное напряжение достаточно для зарядки двухслойного конденсатора (от 1 до 2 фарадов, от 3 до 4 вольт), который может затем приводить в действие одну или несколько светодиодных ламп в течение длительного периода времени. Другим примером применения для линейных генераторов являются накопители, оснащенные им (например, в формате AA или AAA ), которые могут быть универсально использованы для подобных экономичных устройств. 

генераторы для электростанций

Электростанции в основном используют трехфазные синхронные машины , которые обычно проектируются как Innenpolmaschine . Они состоят из:

  • Статор , который представляет собой большую индукционную катушку с железным сердечником . Статор не является массивным железным корпусом, но он создан, чтобы избежать вихревых токов от многих индивидуальных, взаимно изолированных пластин. Для больших генераторов, эти лопасти выполнены из не-зерна динамо листа , полученный из более редко с ориентированными зернами динамо листа.
  • Ротор: вращающаяся часть генератора состоит из подшипников и кованого, такого массивного твердого барабанного ротора (ролика ролика). В роторе вихревые токи не возникают при симметричной нагрузке, поэтому ламинирование можно обойти. Механическая мощность подается на ротор через вал.

Генераторы, используемые сегодня для электростанций, являются практически безболезненными полнополюсными станками для (конкретной страны) частоты сетки 50 или 60 Гц.

Высокоскоростные синхронные генераторы , используемые в сочетании с паровыми турбинами на электростанциях, называются турбогенераторами или Vollpolmaschinen. Их поле возбуждения обычно имеет два или четыре полюса . Подача обмотки возбуждения происходит в современных заводах по принципу бесщеточных или статического возбуждения . На гидроэлектростанциях из-за низкой скорости турбин используются обычно специализированные машины со значительно более чем четырьмя полюсами.

Преимущество синхронных генераторов над асинхронными генераторами заключается в том, что в зависимости от регулирования они могут подавать активную мощность, а также индуктивную или емкостную реактивную мощность в сеть питания или могут поднять ее. В зависимости от уровня их магнитного возбуждениясинхронные генераторы обеспечивают чистую активную мощность или дополнительно подают реактивную мощность в сетку , что необходимо для компенсации индуктивных и емкостных нагрузок . Таким образом, они могут служить активными фазовращателями в сетях электроснабжения .

Асинхронные генераторы не имеют никакого значения в качестве генераторов на больших электростанциях. Частично они используются в дизельных генераторах, небольших гидроэлектростанциях и ветровых турбинах (по всему миру 90%). В принципе, они представляют индуктивную реактивную нагрузку. 

Ветряные катушки больших генераторов сильно нагреваются во время работы и поэтому должны охлаждаться. Катушки в статоре охлаждаются водой, в то время как в роторе они охлаждаются водородом , который циркулирует через корпус генератора под давлением до 10 бар и высвобождает свое тепло в нижнем теплообменнике . С водородом ( удельная теплоемкость = 14,3 Дж / (gK)) значительно лучше охлаждение достигается при меньшем трении, чем в воздухе (только 1 Дж / (gK)). Генераторы емкостью менее 300 МВА в основном охлаждаются воздухом. Воздух циркулирует в корпусе и через катушки в статоре. Вентиляторы устанавливаются непосредственно на ротор. Воздух охлаждается водяными охладителями, расположенными непосредственно в нижней части корпуса генератора.

Особенностью являются генераторы для генерации тягового тока . Благодаря однофазному напряжению около 16,7 Гц эти генераторы сконструированы как синхроннаямашина переменного тока и вращаются со скоростью 1000 оборотов в минуту (1/3 скорости 50 Гц). генераторы). Их частота была ранее при 50 Гц / 3 = 16 2 / 3  Гц и позже по техническим причинам изменились . Магнитный потокв этих генераторах ток в три раза больше, чем у машин с частотой 50 Гц с одинаковой мощностью. Следовательно, генераторы тягового тока требуют соответственно больших поперечных сечений железа. По этой причине они значительно больше, чем аналогичные генераторы с частотой 50 Гц. Кроме того, на приводе имеется двухчастотный циркуляционный и пульсирующий крутящий момент . Эта пульсация также влияет на основымашины; поэтому генератор помещается на пружины. Между приводом и генератором, по той же причине переключается упругая муфта . Генераторы тягового тока обычно приводятся в действие электродвигателями из электросети (комбинация называется преобразователем), объект называется Umformerwerk . Сегодня ток тяги также генерируется электронным путем из сетевого напряжения в преобразовательных установках.