Generator

Lichtmaschinen 1909 von 1909 von Ganz arbeitet in der Stromerzeugung einer russischen Halle erzeugt Wasserkraft Station (Foto von Prokudin-Gorsky1911).^[1]

Ein Generator ist ein elektrischer Generator das konvertiert mechanische Energie zu elektrische Energie in Form von Wechselstrom.^[2] Aus Kosten und Einfachheit können die meisten Lichtmaschinen ein Drehen verwenden Magnetfeld mit einem stationären Anker.^[3] Gelegentlich a lineare Lichtmaschine oder es wird ein rotierender Anker mit einem stationären Magnetfeld verwendet. Im Prinzip jeder AC elektrischer Generator kann als Lichtmaschine bezeichnet werden, aber normalerweise bezieht sich der Begriff auf kleine rotierende Maschinen, die von angetrieben werden Automobil und andere interne Verbrennungsmotoren.

Eine Lichtmaschine, die a verwendet Dauermagnet für seine Magnetfeld wird als a genannt Magneto. Lichtmaschinen in Kraftwerke angetrieben durch Dampfturbine werden Turbo-Alternatoren genannt. Groß 50 oder 60 Hz Drei Phasen Lichtmaschinen in Kraftwerke Erzeugen Sie den größten Teil der weltweiten elektrischen Leistung, die von verteilt wird von Elektrische Stromnetze.^[4]

Geschichte

In der ersten industriellen Verwendung von Wechselstrom im Jahr 1891 posieren die Arbeiter mit einem Westinghouse -Lichtmaschine am Ames Wasserkraftanlage. Diese Maschine wurde als Generator verwendet, der 3.000-Volt, 133-Heertz, einphasige Wechselstrom und eine identische Maschine 3,8 km entfernt als Wechselstrommotor verwendet wurde.^[5][6][7]

Wechselstromgenerierende Systeme waren in einfachen Formen aus der Entdeckung der bekannt Magnetinduktion des elektrischen Stroms In den 1830er Jahren. Drehende Generatoren haben natürlich abwechselnde Strom erzeugt, aber da es nur wenig verwendet wurde, wurde es normalerweise in umgewandelt Gleichstrom über die Zugabe von a Kommutator im Generator.^[8] Die frühen Maschinen wurden von Pionieren entwickelt, wie sie Michael Faraday und Hippolyt Pixii. Faraday entwickelte das "rotierende Rechteck", dessen Operation war heteropolar - Jeder aktive Leiter führte nacheinander in Regionen, in denen sich das Magnetfeld in entgegengesetzte Richtungen befand.^[9] Lord Kelvin und Sebastian Ferranti entwickelte auch frühe Lichtmaschinen und produzierte Frequenzen zwischen 100 und 300 Hz.

In den späten 1870er Jahren wurden erste großen elektrischen Systeme mit zentralen Erzeugungsstationen eingeführt, um Strom zu versorgen Lichtbogenlampen, verwendet, um ganze Straßen, Fabrikhöfe oder das Innere großer Lagerhäuser zu beleuchten. Einige, wie z. Yablochkov -Lichtbogenlampen 1878 eingeführt, lief besser auf wechselnder Strom, und die Entwicklung dieser frühen Wechselstromgenerierungssysteme wurde von der ersten Verwendung des Wortes "Lichtmaschine" begleitet.^[10][8] Die Lieferung der richtigen Spannungsmenge durch die Erzeugung von Stationen in diesen frühen Systemen wurde der Fähigkeit des Ingenieurs über "Fahren der Last" überlassen.^[11] 1883 die Ganz arbeitet erfand den konstanten Spannungsgenerator^[12] Dies könnte eine angegebene Ausgangsspannung erzeugen, unabhängig vom Wert der tatsächlichen Last.^[13] Die Einführung von Transformer Mitte der 1880er Jahre führte es zur weit verbreiteten Verwendung von Wechselstrom und zur Verwendung von Lichtmaschinen, die zur Herstellung erforderlich sind.^[14] Nach 1891, Polyphase Lichtmaschinen wurden eingeführt, um Strömungen mehrerer unterschiedlicher Phasen zu liefern.^[15] Spätere Lichtmaschinen wurden für verschiedene Wechselstromfrequenzen zwischen sechzehn und etwa einhundert Hertz ausgelegt, um mit Lichtbogenbeleuchtung, Glühlampen und Elektromotoren zu verwenden.^[16] Spezielle Radiofrequenz -Lichtmaschinen wie die Alexanderson Generator were developed as lange Welle Funksender um den Weltkrieg um den ersten Weltkrieg und in einigen hohen Macht verwendet drahtlose Telegraphie Stationen vor Vakuumröhrendsendern ersetzten sie.

Funktionsprinzip

Diagramm einer einfachen Lichtmaschine mit einem rotierenden Magnetkern (Rotor) und stationärem Draht (Stator) zeigt auch den im Stator induzierten Strom durch das rotierende Magnetfeld des Rotors.

Ein Leiter, der sich relativ zu einem Magnetfeld bewegt elektromotorische Kraft (EMF) darin (Faradays Gesetz). Diese EMF kehrt seine Polarität um, wenn sie sich unter magnetischen Polen mit entgegengesetzter Polarität bewegt. Typischerweise ein rotierender Magnet, der als der genannt Rotor dreht sich innerhalb eines stationären Satzes von Leiter, die in Spulen auf einem Eisenkern verwunden sind, genannt Stator. Das Feld schneidet über die Leiter und erzeugt eine induzierte EMF (elektromotive Kraft), da der mechanische Eingang den Rotor dreht.

Das rotierendes Magnetfeld induziert ein Wechselstrom Spannung In den Statorwicklungen. Da die Ströme in den Statorwicklungen im Schritt mit der Position des Rotors variieren, ist ein Generator ein Synchrongenerator.^[3]

Das Magnetfeld des Rotors kann durch permanente Magnete oder durch ein Feldspulenelektromagnet erzeugt werden. Automobil -Lichtmaschinen verwenden eine Rotorwicklung, die die Steuerung der erzeugten Spannung des Generators ermöglicht, indem der Strom in der Rotorfeldwicklung variiert. Permanente Magnetmaschinen vermeiden den Verlust aufgrund des Magnetisierungsstroms im Rotor, sind jedoch aufgrund der Kosten des Magnetmaterials begrenzt. Da das permanente Magnetfeld konstant ist, variiert die Klemmenspannung direkt mit der Geschwindigkeit des Generators. Pinsellose Wechselstromgeneratoren sind normalerweise größer als die in Automobilanwendungen verwendeten.

Ein automatisches Spannungssteuergerät steuert den Feldstrom, um die Ausgangsspannung konstant zu halten. Wenn die Ausgangsspannung aus den stationären Ankerspulen aufgrund eines Anstiegs der Nachfrage sinkt, wird mehr Strom in die rotierenden Feldspulen durch die eingesperrt Spannungsregler (VR). Dies erhöht das Magnetfeld um die Feldspulen, was eine größere Spannung in den Ankerspulen induziert. Somit wird die Ausgangsspannung auf ihren ursprünglichen Wert zurückgeführt.

Generatoren, die in zentraler Bedeutung verwendet werden Kraftwerke Steuern Sie auch den zu regulierenden Feldstrom Blindleistung und um das Stromversorgungssystem gegen die Auswirkungen des Moments zu stabilisieren Fehler. Oft gibt es drei Sätze von Statorwicklungen, die physisch ausgefallen sind, damit das rotierende Magnetfeld a erzeugt Drei Phasen Strom, verdrängt durch ein Drittel einer Periode in Bezug auf einander.^[17]

Synchrongeschwindigkeiten

Ein Zyklus des Wechselstroms wird jedes Mal erzeugt, wenn ein Paar Feldstangen über einen Punkt der stationären Wicklung übergeht. Die Beziehung zwischen Geschwindigkeit und Frequenz ist ${\ displayStyle n = 120f/p}$, wo ${\ displayStyle f}$ ist die Frequenz in Hz (Zyklen pro Sekunde). ${\ displayStyle p}$ ist die Anzahl der Pole (2, 4, 6,…) und ${\ displayStyle n}$ ist die Rotationsgeschwindigkeit in Revolutionen pro Minute (r/min). Sehr alte Beschreibungen von Wechselstrom Systeme geben manchmal die Häufigkeit in Bezug auf Alternationen pro Minute an und zählen jeden Halbzyklus als einen Wechsel; 12.000 Wechseln pro Minute entsprechen also 100 Hz.

Die Ausgabe Frequenz einer Lichtmaschine hängt von der Anzahl der Pole und der Rotationsgeschwindigkeit ab. Die Geschwindigkeit, die einer bestimmten Frequenz entspricht Synchrongeschwindigkeit für diese Frequenz. Dieser Tisch^[18] gibt einige Beispiele:

Klassifizierungen

Lichtmaschinen können nach Anregungsmethode, Anzahl der Phasen, der Art der Rotation, Kühlmethode und ihrer Anwendung klassifiziert werden.^[19]

Durch Anregung

Es gibt zwei Hauptmethoden, um das in den Lichtmaschinen verwendete Magnetfeld durch Verwendung zu erzeugen Permanentmagnete die ihr eigenes anhaltendes Magnetfeld erzeugen oder durch Verwendung Feldspulen. Die Lichtmaschinen, die permanente Magnete verwenden Magnetos.

In anderen Lichtmaschinen bilden Wundfeldspulen eine Elektromagnet das rotierende Magnetfeld erzeugen.

Ein Gerät, das permanente Magnete zum Wechselstrom verwendet, wird als Permanent Magnet Alternator (PMA) bezeichnet. Ein permanenter Magnetgenerator (PMG) kann entweder einen Wechselstrom oder einen Gleichstrom erzeugen, wenn er a hat Kommutator.

Direct-Connected Direct-Current-Generator (DC)

Diese Anregungsmethode besteht aus einem kleineren Direktstrom (DC) Generator, der auf derselben Welle mit der Lichtmaschine befestigt ist. Der Gleichstromgenerator erzeugt eine kleine Menge Strom, die gerade genug ist begeistern Die Feldspulen der angeschlossenen Lichtmaschine, um Strom zu erzeugen. Eine Variation dieses Systems ist eine Art von Generator, die einen Gleichstrom aus einer Batterie für die anfängliche Anregung beim Start verwendet, wonach die Lichtmaschine selbst angereist ist.^[19]

Transformation und Berichtigung

Diese Methode hängt vom im Eisenkern zurückgehaltenen Restmagnetismus ab, um ein schwaches Magnetfeld zu erzeugen, wodurch eine schwache Spannung erzeugt werden kann. Diese Spannung wird verwendet, um die Feldspulen für die Lichtmaschine zu erregen, um eine stärkere Spannung als Teil seiner zu erzeugen aufbauen Prozess. Nach dem anfänglichen Wechselstromspannungsaufbau wird das Feld mit geliefert korrigierte Spannung aus der Lichtmaschine.^[19]

Bürstenlose Lichtmaschinen

Eine pürierlose Lichtmaschine besteht aus zwei Lichtmaschinen, die End-to-End auf einer Welle errichtet haben. Bis 1966 verwendeten Lichtmaschinen Pinsel mit rotierendem Feld.^[20] Mit Fortschritt in der Halbleitertechnologie sind bürstenlose Lichtmaschinen möglich. Kleinere pinselfache Lichtmaschinen mögen wie eine Einheit aussehen, aber die beiden Teile sind auf den großen Versionen leicht identifizierbar. Der größere der beiden Abschnitte ist der Hauptgenerator und der kleinere der Erreger. Der Erreger verfügt über stationäre Feldspulen und einen rotierenden Anker (Kraftspulen). Die Hauptgeneratorin verwendet die entgegengesetzte Konfiguration mit einem rotierenden Feld und einem stationären Anker. EIN BrückengleichrichterDie rotierende Gleichrichterbaugruppe wird am Rotor montiert. Es werden weder Pinsel noch Schlupfringe verwendet, wodurch die Anzahl der Tragen von Teilen reduziert wird. Die Hauptgeneratorin hat ein rotierendes Feld wie oben beschrieben und einen stationären Anker (Stromerzeugungswicklungen).

Das Variieren der Strommenge durch die stationären Erreger-Feldspulen variiert den 3-Phasen-Ausgang vom Erreger. Dieser Ausgang wird durch eine rotierende Gleichrichterbaugruppe, die am Rotor montiert ist, behoben, und das resultierende DC liefert das rotierende Feld des Hauptgenerators und somit damit der Auenatorausgang. Das Ergebnis all dies ist, dass ein kleiner DC -Erreger -Strom indirekt die Ausgabe des Hauptgenerators steuert.^[21]

Nach Anzahl der Phasen

Eine andere Möglichkeit, Lichtmaschinen zu klassifizieren, ist die Anzahl der Phasen ihrer Ausgangsspannung. Der Ausgang kann ein Phase oder Polyphase sein. Drei-Phasen-Generatoren sind die häufigsten, aber Polyphase-Lichtmaschinen können zwei Phasen, sechs Phasen oder mehr sein.^[19]

Durch rotierendes Teil

Der drehende Teil der Lichtmaschinen kann der sein Anker oder das Magnetfeld. Der Drehtyp der drehenden Anker hat die Ankerwunde am Rotor, wo sich die Wicklung durch ein stationäres Magnetfeld bewegt. Der Drehtyp der drehenden Anker wird nicht oft verwendet.^[19] Der Drehfeldtyp hat Magnetfeld am Rotor, um sich durch eine stationäre Ankerwicklung zu drehen. Der Vorteil besteht Schleifring Verbindungen kleiner und weniger kostspielig; Für den direkten Rotor werden nur zwei Kontakte benötigt, während häufig eine Rotorwicklung drei Phasen und mehrere Abschnitte aufweist, für die jeweils eine Schlupf-Ring-Verbindung erforderlich ist. Die stationäre Anker kann für jeden bequemen mittleren Spannungsniveau bis zu Zehntausenden von Volt gewickelt werden. Die Herstellung von Schlupfringverbindungen für mehr als ein paar tausend Volt ist kostspielig und unpraktisch.

Kühlmethoden

Viele Lichtmaschinen werden durch Umgebungsluft abgekühlt, die durch das Gehäuse durch einen angebrachten Lüfter auf derselben Welle gezwungen werden, der die Lichtmaschine antreibt. In Fahrzeugen wie Transitbussen kann ein starker Bedarf am elektrischen System eine große Lichtmaschine erfordern, um ölgekühlt zu werden.^[22] In Meeresanwendungen wird auch Wasserkühlung verwendet. Teure Automobile können wassergekühlte Lichtmaschinen verwenden, um hohe elektrische Systemanforderungen zu erfüllen.

Spezifische Anwendungen

Elektrische Generatoren

Die meisten Stromerzeugungsstationen verwenden synchrone Maschinen als Generatoren. Die Verbindung dieser Generatoren mit dem Nutznetz erfordert, dass die Synchronisationsbedingungen erfüllt werden.^[23]

Automobil -Lichtmaschinen

Lichtmaschine, die auf einem Automobilmotor mit a montiert sind Serpentinengürtel Riemenscheibe (Gürtel nicht vorhanden.)

Lichtmaschinen werden in der Moderne verwendet Automobile um das aufzuladen Batterie und das elektrische System mit Strom zu versorgen, wenn es ist Motor läuft.

Bis in die 1960er Jahre verwendeten Automobile DC Dynamo Generatoren mit Kommutatoren. Mit der Verfügbarkeit von erschwinglich Siliziumdiode Stattdessen wurden Gleichrichter, Lichtmaschinen verwendet.

Diesel elektrische Lokomotive -Lichtmaschine

Später Diesel elektrische Lokomotiven und Diesel elektrische Mehrfacheinheiten, das Prime Mover dreht eine Lichtmaschine, die Strom für die liefert Traktionsmotoren (AC oder DC).

Die Tractionalalerator enthält normalerweise integrale Siliziumdiodengleichrichter, um die Traktionsmotoren mit bis zu 1.200 Volt DC zu versorgen.

Die ersten Diesel -Elektrolokomotiven und viele der noch in Betrieb genommenen DC -Generatoren als Siliziumleistungselektronik war es einfacher, die Geschwindigkeit der DC -Traktionsmotoren zu steuern. Die meisten davon hatten zwei Generatoren: einen, um den Anregungsstrom für einen größeren Hauptgenerator zu erzeugen.

Optional liefert der Generator auch Kopf Endkraft (HEP) oder Kraft für Elektrische Zugheizung. Die HEP -Option erfordert eine konstante Motordrehzahl, typischerweise 900 R/min für eine 480 V 60 -Hz -HEP -Anwendung, selbst wenn sich die Lokomotive nicht bewegt.

Marine -Lichtmaschinen

In Yachten verwendete marine Generatoren ähneln den Automobil-Lichtmaschinen mit geeigneten Anpassungen an die Salzwasserumgebung. Marine -Lichtmaschinen sind so konzipiert explosionsgeschützt (Zündung geschützt) Damit die Bürstenlöschung keine explosiven Gasmischungen in einer Motorraumumgebung entzündet. Sie können je nach Art des installierten Systems 12 oder 24 Volt betragen. Größere Meeresteischleiche können zwei oder mehr Lichtmaschinen haben, die mit dem starken elektrischen Bedarf einer modernen Yacht fertig werden können. Bei einzelnen Generatorschaltungen kann die Stromversorgung zwischen dem Motorstart der Batterie und der Batterie oder der Hausbatterie (oder der Batterien) unter Verwendung von a aufgeteilt werden Split-Ladungsdiode (Batterieisolator) oder ein spannungsempfindliches Relais. Aufgrund der hohen Kosten für Batterien der großen Hausbatterien nutzen Meeralternators im Allgemeinen externe Aufsichtsbehörden. Mehrfache Regulierungsbehörden steuern den Feldstrom, um die Ladeeffektivität (Zeit für die Ladung) und die Batterielebensdauer zu maximieren. Mehrstufe Regulatoren können für verschiedene Batteriearten programmiert werden. Zwei Temperatursensoren können zugegeben werden, einer für die Batterie, um die Ladespannung einzustellen, und ein Übertemperatursensor auf der tatsächlichen Lichtmaschine, um sie vor Überhitzung zu schützen.

Radio -Lichtmaschinen

Hochfrequenzalternatoren des Typs variabler Reluktanz wurden kommerziell auf die Funkübertragung in den niederfrequenten Radiobändern angewendet. Diese wurden zur Übertragung von verwendet Morse-Code und experimentell zur Übertragung von Sprache und Musik. In dem Alexanderson GeneratorSowohl die Feldwicklung als auch die Ankerwicklung sind stationär, und der Strom wird aufgrund der sich ändernden magnetischen Zurückhaltung des Rotors (der keine Wicklungen oder Stromtransportteile aufweist) stationär. Solche Maschinen wurden für den Funkfrequenzstrom für Funkübertragungen erstellt, obwohl die Effizienz niedrig war.

Siehe auch

Verweise

Externe Links

• Weiß, Thomas H., "Entwicklung von Lichtmaschinenübersetzungen (1891–1920)". EarlyRadiohistory.us.
• Lichtmaschinen bei Integrated Publishing (tpub.com)
• Hölzer Low-RPM-Lichtmaschine, Forcefield, Fort Collins, Colorado, USA
• 3 -Phasen -Generatoren verstehen in Windstuffnow
• Lichtmaschine, Bogen und Funker.Die ersten drahtlosen Sender (G0UTY Homepage)