Меню

Генератор переменного тока история изобретения кратко

История. Генератор переменного тока

Генератор переменного тока

Другие электрические генераторы, использующие вращение

Динамо-машина

Динамо-машина стала первым электрическим генератором, способным вырабатывать мощность для промышленности. Работа динамо-машины основана на законах электромагнетизма для преобразования механической энергии в пульсирующий постоянный ток. Постоянный ток вырабатывался благодаря использованию механического коммутатора. Первую динамо-машину построил Ипполит Пикси в 1832.

Динамо-машина состоит из статора, который создает постоянное магнитное поле, и набора обмоток, вращающихся в этом поле. На маленьких машинах постоянное магнитное поле могло создаваться с помощью постоянных магнитов, у крупных машин постоянное магнитное поле создается одним или несколькими электромагнитами, обмотки которых обычно называют обмотками возбуждения.

Большие мощные динамо-машины сейчас можно редко где увидеть, из-за большей универсальности использования переменного тока на сетях электропитания и электронных твердотельных преобразователей постоянного тока в переменный. Однако до того, как был открыт переменный ток, огромные динамо-машины, вырабатывающие постоянный ток, были единственной возможностью для выработки электроэнергии. Сейчас динамо-машины являются редкостью.

Пройдя ряд менее значимых открытий, динамо-машина стала прообразом, из которого появились дальнейшие изобретения, такие как двигатель постоянного тока, генератор переменного тока, синхронный двигатель,роторный преобразователь.

Без коммутатора динамо-машина является примером генератора переменного тока. С электромеханическим коммутатором динамо-машина — классический генератор постоянного тока. Генератор переменного тока должен всегда иметь постоянную частоту вращения ротора и быть синхронизирован с другими генераторами в сети распределения электропитания. Генератор постоянного тока может работать при любой частоте ротора в допустимых для него пределах, но вырабатывает постоянный ток.

Генератор переменного тока (альтернатор) является электромеханическим устройством, которое преобразует механическую энергию в электрическую энергию переменного тока. Большинство генераторов переменного тока используют вращающееся магнитное поле.

Системы производящие переменный ток были известны в простых видах со времён открытия магнитной индукции электрического тока. Ранние машины были разработаны такими пионерами, как Майкл Фарадей и Ипполит Пикси.

Фарадей разработал «вращающийся треугольник», действие которого было многополярным — каждый активный проводник пропускался последовательно через область, где магнитное поле было в противоположных направлениях. Первая публичная демонстрация наиболее сильной «альтернаторной системы» имела место в 1886 году. Большой двухфазный генератор переменного тока был построен британским электриком Джеймсом Эдвардом Генри Гордоном в 1882 году. Лорд Кельвин и Себастьян Ферранти также разработали ранний альтернатор, производивший частоты между 100 и 300 герц. В 1891 году Никола Тесла запатентовал практический «высокочастотный» альтернатор (который действовал на частоте около 15000 герц). После 1891 года, были введены многофазные альтернаторы.

Принцип действия генератора основан на действии электромагнитной индукции — возникновении электрического напряжения в обмотке статора, находящейся в переменном магнитном поле. Оно создается с помощью вращающегося электромагнита — ротора при прохождении по его обмотке постоянного тока. Переменное напряжение преобразуется в постоянное полупроводниковым выпрямителем.

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

Источник

Изобретение и первые генераторы переменного тока

Первый генератор как и современные генераторы переменного тока вырабатывают электроэнергию. Электричество является одной из основных составляющих круговорота энергии в природе. Для преобразования какой-либо энергии в электрическую предназначен генератор переменного тока, в переводе с латинского – производитель. Устройство, вырабатывая электроэнергию, преобразует механическую или энергию природы в электрическую.

Чаще всего генератор использует механическое движение парового, газотурбинного, гидравлического или дизельного двигателей.

История изобретения электрогенератора

генератор переменного тока

История изобретения электрогенератора показывает, что основы первого генератора были заложены изобретением батареи итальянцем Алессандро Вольта, генерацией магнитного поля от электрического тока датчанином Гансом Христианом Эрстедом и электромагнита британцем Уильямом Стёрдженем. Практически обнаружив и исследуя электромагнитную индукцию путем прокрутки медного диска между полюсами магнита Фарадей сгенерировал электрический ток в изменяющемся магнитном поле, таким образом, изготовив прообраз первого электрического генератора. С этого момента начали изготавливаться первые генераторы.

В 1833 году русский ученый немецкого происхождения Эмилий Христианович Ленц опубликовал статью о законе взаимности магнито-электрических явлений, то есть о взаимозаменяемости устройства вырабатывающего электроэнергию и двигателя. Первые генераторы, изобретенные в 19 веке вращали тяжелый постоянный магнит вблизи проволочных катушек постепенно улучшаясь и находя практическое применение. Постепенно мощность и потребительские свойства устройств уточнялись с течением времени. Сейчас без электроэнергии и её производителя не обойтись. Там где электроэнергию нельзя подключить от электростанции, предлагаются передвижные дизель электростанции путем аренда генератора.
Каких только производителей энергии нет в нынешнее время, ведь преобразование из одного вида в другой является основой жизни. Получение энергии от Солнца, ветра, Земли, движением воды, гидравлическим путем, атомных, приливных, геотермальных источников никого не удивишь.

Существуют даже генераторы получающие энергию без топлива и внешнего движения при помощи устройства путем использования магнитного поля Земли.

Таким образом, генератор преобразования энергии является той маленькой частью вечного процесса круговорота энергии образовавшуюся в результате Большого взрыва во Вселенной освободив энергию и связывая ее в процессе своего развития.
Существует теория альтернативных источников энергии основанная на генерации свободной энергетики зависящей от гравитации и времени, но данные исследования выходит за рамки материалистической физики и науки в целом.

Источник

Генератор переменного тока

Tools.svg

Question book-4.svg

Генератор переменного тока (альтернатор) является электромеханическим устройством, которое преобразует механическую энергию в электрическую энергию переменного тока. Большинство генераторов переменного тока используют вращающееся магнитное поле.

Читайте также:  Используя данные предыдущего задания определите силу тока в проводнике r2 если сила тока

Содержание

История

Системы производящие переменный ток были известны в простых видах со времён открытия магнитной индукции электрического тока. Ранние машины были разработаны такими пионерами, как Майкл Фарадей и Ипполит Пикси.

Фарадей разработал «вращающийся треугольник», действие которого было многополярным — каждый активный проводник пропускался последовательно через область, где магнитное поле было в противоположных направлениях. Первая публичная демонстрация наиболее сильной «альтернаторной системы» имела место в 1886 году. Большой двухфазный генератор переменного тока был построен британским электриком Джеймсом Эдвардом Генри Гордоном в 1882 году. Лорд Кельвин и Себастьян Ферранти также разработали ранний альтернатор, производивший частоты между 100 и 300 герц. В 1891 году Никола Тесла запатентовал практический «высокочастотный» альтернатор (который действовал на частоте около 15000 герц). После 1891 года, были введены многофазные альтернаторы.

Принцип действия генератора основан на действии электромагнитной индукции — возникновении электрического напряжения в обмотке статора, находящейся в переменном магнитном поле. Оно создается с помощью вращающегося электромагнита — ротора при прохождении по его обмотке постоянного тока. Переменное напряжение преобразуется в постоянное полупроводниковым выпрямителем.

Автомобильный генератор

Генератор переменного тока используется на современных автомобилях для заряда батареи аккумуляторов и для энергоснабжения автомобильной электрической системы. В генераторах переменного тока не используется коммутатор, это даёт большое преимущество над генераторами постоянного тока: они проще, легче и дешевле. Автомобильные генераторы переменного тока используют набор выпрямителей (диодный мост) для преобразования переменного тока в постоянный ток. Для производства постоянного тока с низкими пульсациями, автомобильные генераторы переменного тока имеют трёхфазную обмотку и трёхфазный выпрямитель.

Современные автомобильные генераторы переменного тока имеют встроенный в них регулятор напряжения. Ранее устанавливались регуляторы напряжения только аналогового вида. На данный момент реле регуляторы перешли на цифровой канал так называемая CAN шина.

Морские генераторы переменного тока

Морские генераторы переменного тока в яхтах с соответствующей адаптацией к солёно-водной окружающей среде.

Бесщёточные генераторы переменного тока

Бесщеточный генератор состоит из двух генераторов на одном валу. Маленькие бесщеточные генераторы могут выглядеть как одна единица, но две части легко идентифицируются на больших генераторах. Большая часть из двух является основным генератором и меньшая является возбудителем. Возбудитель имеет стационарные катушки поля и вращающегося якоря (мощность катушек). Основной генератор использует противоположные конфигурации с вращающимся полем и стационарные катушки. Мостовой выпрямитель (вращающийся выпрямитель) монтируется на пластину, прикрепленную к ротору. Ни щетки, ни контактные кольца не используются, что сокращает число изнашивающихся частей.

Индукционный генератор

В отличие от остальных генераторов, в основе работы индукционного генератора лежит не вращающееся магнитное поле, а пульсирующее, иначе говоря поле изменяется не в функции перемещения, а в функции времени, что в конечном счёте (наведение ЭДС) даёт такой же результат.

Конструкция индукционных генераторов предполагает размещение и постоянного поля и катушек для наведения ЭДС на статоре, ротор же остаётся свободным от обмоток, но обязательно имеет зубцовую форму, так как вся работа генератора основана на зубцовых гармониках ротора.

Генераторы для малой энергетики

Для мощностей до 100 кВт широкое применение нашли одно и трехфазные генераторы с возбуждением от постоянных магнитов. Применение высокоэнергетических постоянных магнитов состава неодим-железо-бор позволило упростить конструкцию и значительно уменьшить размеры и вес генераторов, что является критически важным для малой ветроэнергетики.

Конструкция генератора переменного тока

В самом общем случае, наиболее часто применяемый трехфазный генератор переменного тока состоит из явнополюсного ротора с одной парой полюсов (маломощные оборотистые генераторы) или 2 парами их, расположенными крестообразно (наиболее распространенные генераторы мощностями до нескольких сот киловатт. Такая конструкция не только позволяет более рационально использовать материал, но и для промышленной частоты переменного тока 50 Гц дает рабочую частоту вращения ротора 1500 оборотов в минуту, что хорошо согласуется с тяговыми оборотами дизельных двигателей этой мощности), а также статора с 3 (в первом случае) или 6 (во втором) силовыми обмотками и полюсами. Напряжение с силовых обмоток и есть то, которое подается потребителю.

Ротор может быть выполнен на постоянных магнитах только для весьма маломощных генераторов, во всех остальных случаях он имеет намотку т.н. обмотки возбуждения, то есть представляет из себя электромагнит постоянного тока, запитываемый во вращающемся роторе через щёточно-коллекторный узел с простыми кольцевыми контактами, более устойчивыми к износу нежели разрезной ламельный коллектор машин постоянного тока.

В сколько-либо мощном генераторе переменного тока с обмоткой возбуждения на роторе, неизбежно встает вопрос — какой величины ток возбуждения подавать на катушку? Ведь от этого зависит выходное напряжение такого генератора. И это напряжение должно поддерживаться в определенных рамках, например, 380 Вольт, вне зависимости от тока в цепи потребителей, значительная величина которого способна также значительно уменьшать выходное напряжение генератора. Кроме этого, нагрузка по фазам вообще может быть очень неравномерной.

Этот вопрос решается в современных генераторах, как правило введением в выходные цепи фаз генератора электромагнитных трансформаторов тока, соединенных вторичными обмотками треугольником или звездой, и дающими на выходе переменное трехфазное напряжение амплитудой единицы — десятки вольт, строго пропорциональное и согласованное по фазе с величиной тока нагрузки фаз генератора — чем больше потребляемый в данный момент по данной фазе ток, тем больше напряжение на выходе соответствующей фазы соответствующего токового трансформатора. Этим и достигается стабилизирующий и авторегулирующий эффект. Все три регулирующие фазы с вторичных обмоток токовых трансформаторов далее заводятся на обычный 3-фазный выпрямитель из 6 полупроводниковых диодов, и на выходе его получается постоянный ток нужной величины, и подаваемый на обмотку возбуждения ротора через щёточно-коллекторный узел. Схема может быть дополнена реостатным узлом для некоторой свободы регулирования тока возбуждения.

Читайте также:  Трансформатор тока напряжения до 10а

В устаревших или маломощных генераторах вместо токовых трансформаторов применялась система из мощных реостатов, с вычленением рабочего тока возбуждения за счет изменения падения напряжения на резисторе при изменении тока через него. Эти схемы были менее точны и гораздо менее экономичны.

В обоих случаях существует проблема появления начального напряжения на силовых обмотках генератора в момент начала его работы — действительно, если возбуждения ещё нет, то и току во вторичных обмотках токовых трансформаторов взяться неоткуда. Проблема, однако, решается тем что железо ярма ротора обладает некоторой способностью к остаточному намагничиванию, эта остаточная намагниченность оказывается достаточной для возбуждения в силовых обмотках напряжения в несколько вольт, достаточного для самовозбуждения генератора и выхода его на рабочие характеристики.

В генераторах с самовозбуждением — серьезную опасность представляет случайная подача внешнего напряжения промышленной электрической сети на силовые обмотки статора. Хотя это не приводит к каким-то негативным последствиям для самих обмоток генератора, мощное переменное магнитное поле от внешней сети эффективно размагничивает статор, в результате чего генератор теряет способность к самовозбуждению. В этом случае требуется начальная подача напряжения возбуждения от какого-то внешнего источника, например, автомобильного аккумулятора, иногда такая процедура полностью излечивает статор, но в некоторых случаях необходимость подачи внешнего возбуждения остается навсегда.

Главный генератор переменного тока

Главный генератор состоит из вращающегося магнитного поля, как было указано ранее, и неподвижной арматуры (генераторные обмотки)

Источник

Как создавали генераторы переменного тока — важнейшие моменты истории создания

Получение переменного электротока как такового никогда не было большой сложностью. В обмотках всех типов машинных генераторов (за исключением однополярного) происходит генерация такого типа электротока, преобразующегося в коллектора в постоянный.

В далеком 1832 г. изобретатель, имя которого история не сохранила, создал первый в мире 1-фазный многополюсный синхронный электрогенератор (ЭГ), после чего все дальнейшие изыскания в данной сфере пошли по пути совершенствования коммутирующих устройств.

Так случилось, что какое-то время это гениальное изобретение не находило использования на практике, В этой связи попытки создания других вариантов оборудования для выработки переменного электротока до конца 70-х гг. позапрошлого века были немногочисленными. На тот момент существовали только ЭГ постоянного тока, в конструкции которых вместо коллектора были установлены две пластины.

В 1863 г. англичанин Г. Уальд создал один из первых образцов для выработки переменного электротока с магнитами. Вместо пластин он установил на свое изобретение контактные кольца. Для питания обмотки генератора ученым был использован еще один дополнительный магнитоэклетрогенератор, который он укрепил на станине основного. А уже спустя четыре года Уайлд сконструировал очередной образец ЭГ уже без отдельного возбудителя. В основе его конструкции был Т-образный якорь с 1-мя обмотками:

  • основной, поставляющей через контактные кольца электроток во внешнюю цепь;
  • вспомогательной, питающей обмотку электромагнитов через коллектор с двумя пластинами.

У нового варианта генератора был существенный недостаток: серьезные потери стали электрических магнитов из-за чрезмерно сильных пульсаций электромагнитного потока. Нагрев сердечников происходил настолько быстро, что агрегат мог работать не более нескольких минут.

И только новаторское предложение российского ученого П. Н. Яблочкова – разработка сразу несколько принципиально новых агрегатов переменного электротока для освещения явилось по-настоящему мощным толчком к началу практического применения Изобретение получило название «свеча Яблочкова».

Примерно в 1878 г. Павел Яблочков, сотрудничающий в то время с известным французским машиностроительным предприятием Грамма, создал ЭГ для запитки 4-х, 6-ти, 16-ти и 20 свечей. Рассмотрим эту инновацию на примере 16-ти свечного агрегата.

В основе конструкции – статичный кольцевой якорь с секционной обмоткой на 4 цепи по 4 катушки в каждой. Вал ЭГ с восемью полюсами приводился в движение постоянным электротоком. На каждый вал приходилось по 2 катушки, в которых происходила индукция электротока со сдвигом на 1⁄4 фазы по отношению друг к другу. При этом Российский ученый соединил катушки таким образом, чтобы в каждой отдельной цепи обеспечивалось совпадение по фазе. Электропитание от каждой цепи подавалось на 4 свечи Яблочкова. Таким образом, это изобретение было не чем иным, как 2-фазным синхронным ЭГ с автономными фазами.

Впрочем, и другие ученые того периода не ставили своей целью создание многофазной системы. Их целью была машина с несколькими цепями для решения задачи «деления света», а также ее совершенствование и адаптация под практическое применение. Это им удалось достичь благодаря двухфазной якорной обмотке.

Позднее П. Яблочков предлагал и другие модели ЭГ, в т.ч. с возвратно-поступательным движением якоря, а также индукторные, которые, впрочем, применения в электротехнической отрасли того времени не нашли.

И опять на пути развития ЭГ стал тот же камень преткновения: сильный нагрев сердечников в процессе работы. Если в случае с изобретением Уайлда это были сердечники магнитов, то теперь – сердечники якоря. Трудноразрешимый вопрос снижения потерь в якорной стали стал ключевым, и без его решения невозможно было говорить о массовом использовании ЭГ. Предлагались разные варианты исполнения сердечников кольцевых, стержневых, барабанных якорей, но все они были слишком массивными и не давали должного эффекта. И лишь с началом производства штрихованных сердечников в 80-х гг. дело сдвинулось с мертвой точки.

Читайте также:  Для электролиза нужен постоянный ток

Исходя из сказанного выше, можно выделить два основных направления в развитии ЭГ переменного тока:

  • увеличение количества катушек якоря с целью повышения мощности, к ак и ранее (в середине XIX в.) в агрегатах постоянного тока);
  • уменьшение удельного веса стали в якоре для исключения перегрева сердечников и минимизации потерь.

В какой-то период начали производиться ЭГ, в которых вообще не было стальных седечников. Так, в 1885 г. англичанин Паддингтон установил на одной из тепловых станций ЭГ с 2-фазными катушечными обмотками, предназначенный, как и изобретение Яблочкова – Грамма, для освещения (автономного питания лампочек). При мощности в 115 кВт он имел вес 18 тонн, приводилась в действие поршневым агрегатом (146 оборотов в минуту) и генерировала электроток с частотой 40 гЦ. Для возбуждения была использована паровая машина.

Итак, первые пригодные для промышленного применения ЭГ переменного тока были внедрены приблизительно к середине 80-х гг. того самого XIX века, который вошел в историю как век самого бурного научно-технического прогресса. Новый виток в развитии уже современных ЭГ начался в 90-е гг. XX столетия с началом производства трехфазных агрегатов со штрихованными сердечниками и обмотками барабанного типа.

Источник



Электрогенератор

Электрический генератор (от латинского — «производитель») — устройство, вырабатывающее электрическую энергию, то есть преобразующее механическую энергию в электрический ток.

Электрический генератор

Благодаря изобретению генератора уже в середине XIX в. у промышленности и населения появилась реальная возможность производства и использования электричества, например, для работы станков или освещения домов и улиц. Кстати, электрические двигатели постоянного тока по своей конструкции практически полностью аналогичны генераторам. Более того, если вращать якорь электромотора постоянного тока (например, от электрической машинки или другой игрушки), он, как и генератор, начнет вырабатывать ток.

Принцип работы первого генератора

В 1831 г. английский ученый Майкл Фарадей открыл электромагнитную индукцию. Сущность этого открытия заключалась в том, что если вращать проводник между полюсами магнита, то в нем возникнет электромагнитное поле. Такое поле возбуждает движение электронов, и по проводнику начинает течь электрический ток. Благодаря этому открытию стало возможным создание электрического генератора и электрического двигателя.

Электрическая цепь

Как работает электрогенератор?

Работа электрогенератора состоит во взаимодействии статора, ротора и контактных колец. Статор во включенном генераторе остается неподвижным. Расстояние между статором и ротором составляет всего лишь несколько миллиметров, поэтому между ними возникает очень сильное магнитное поле, и в обмотке ротора появляется электрический ток большой мощности. Обмотка статора при подаче напряжения от внешнего источника превращается в электромагнит.

Ротор соединен с валом механического устройства (двигатель внутреннего сгорания, ветряной или водяной двигатель и т. п.) и вращается во время работы генератора. Обмотка ротора в момент своего движения постоянно пересекает магнитное поле, создаваемое обмотками статора, и в ней образуется электрический ток.

Такая конструкция позволила избавиться от больших и тяжелых постоянных магнитов. Контактные кольца предназначены для съема электрической энергии с обмоток ротора. Они представляют собой барабан со множеством медных пластин, к которым подключены обмотки ротора. Снаружи с ними соприкасаются графитовые щетки, к которым с помощью проводов подключен потребитель электрической энергии.

Устройство генератора

Современный водяной двигатель

В современных водяных двигателях колесо с лопастями заменено более скоростной водяной турбиной (образовано от слова «турбо» — «вихрь»). Чаще всего она имеет спиральный кожух, по форме напоминающий раковину улитки. Вода поступает в широкий конец кожуха. Так как «коридор», по которому она течет, все время сужается, ее напор увеличивается.

Затем усиленный поток воды поступает на вогнутые лопатки турбины, которая расположена в центре «улитки», и вращает ее. Так энергия потока воды преобразуется в механическую работу.

Электричество из воды

В наши дни электричество производят на гидроэлектростанциях, которые используют энергию движущейся воды.

Схема работы гидроэлектростанции

Гидроэлектростанция состоит из двух основных частей: энергоблока и плотины (или дамбы), накапливающей воду. В энергоблоке расположены генераторы, вырабатывающие электрический ток. Их роторы вращаются благодаря водяным турбинам. Так энергия потока воды преобразуется в электрическую.

Гидроэлектростанции-гиганты

Одна из самых мощных в мире гидроэлектростанций была построена в Китае на реке Янцзы и получила название «Три ущелья». Ее бетонная плотина имеет длину 2309 м и высоту 185 м. Общая мощность электрогенераторов станции составляет почти 23 МВт (1 МВт = 1 млн Вт). За год они вырабатывают около 100 млрд кВт/ч электроэнергии.

Гидроэлектростанция

Лишь немногим меньше электроэнергии вырабатывает гидроэлектростанция «Итайпу», расположенная на реке Парана (на границе Бразилии и Парагвая), которая имеет самую большую плотину. Высота этого гигантского сооружения достигает 196 м, а длина — 7235 м.

Источник