Алтернатор

Од Википедија — слободната енциклопедија
Прејди на: содржини, барај
Алтернатор создаден од Ганц Воркс во 1909 година во Будимпешта, Унгарија, во салата за генерирање електрична енергија во најголемата хидроелектрична станица на Руската Империја (фотографирана од Прокудин Горски, 1911)[1]

Алтернатор или наизменичникелектричен генератор кој ја претвора механичката енергија во електрична енергија во форма на наизменична струја.[2] Поради трошоците и едноставноста, повеќето алтернатори користат ротирачко магнетно поле со неподвижна арматура.[3] Понекогаш се користи и линеарен алтернатор или ротирачка арматура со неподвижно магнетно поле. Во принцип, кој било AC електричен генератор може да биде наречен алтернатор, но обично под терминот се подразбираат мали ротирачки машини управувани од автомобилски или други мотори со внатрешно согорување. Алтернатор кој го користи постојан магнет за нејзиното магнетно поле се нарекува магнето. Алтернаторите во електрани управувани од страна на парни турбини се наречени турбо-алтернатори. Големи 50 или 60 Hz трифазни алтернатори во електроенергетски постројки го генерираат поголемиот дел од електричната енергија во светот, која е дистрибуирана од страна на електрични мрежи.[4]

Историја[уреди | уреди извор]

Во она што се смета за првата индустриска употреба на наизменични струја во 1891 година, работниците се фотографираат со алтернатор Вестингхауз во хидроцентралата Ејмс за производство на електрична енергија. Оваа машина се користела како генератор за производство на еднофазна наизменична струја со напон од 3000 волти и фреквенција од 133 херци, и иста таква машина 3 милји подалеку од хидроцентралата се користела како AC мотор.[5][6][7]

Системи за генерирање наизменична струја биле познати во едноставни форми од откривањето на магнетната индукција на електрична струја во 1830-тите. Ротирачки генератори произведувале наизменична струја но, бидејќи имале малку корист од тоа, го претвориле во еднонасочна струја со додавање на комутатор во генераторот.[8] Раните машини биле развиени од страна на пионерите Мајкл Фарадеј и Хиполајт Пикси. Фарадеј го развил „ротирачкиот правоаголник“, кој работел на хетерополарен принцип – секој активен спроводник поминувал успешно преку деловите каде магнетното поле се во спротивна насока.[9] Келвин и Себастијан Феранти, исто така, развиле рани алтернатори, чии фреквенции се движеле помеѓу 100 и 300 Hz.

Во доцните 1870-ти започнале со првите големи електрични системи со централни генераторски станици за напојување на лачни светилки, што се користат на улиците, фабричките дворови, или во ентериерот на големи складишта. Некои, како Јаблочковите лачни светилки воведени во 1878 година, работеле подобро на наизменична струја и развојот на овие рани агрегатни системи за генерирање бил придружуван со првата употреба на зборот „алтернатор“.[10] Снабдувањето на соодветно количество напон за генераторските станици во овие рани системи зависело од инженерот.[11] Во 1883 година Ганц Воркс измислил генератор на константен напон [12] што може да произведе излезen напон, без оглед на вредноста нa оптоварувањето.[13] Воведувањето на трансформатори во средината на 1880-тите довело до широка употреба на наизменична струја и употребата на алтернатори потребни за да се произведе.[14] По 1891 година, полифазните алтернатори снабдувале струја од повеќе различни фази.[15] Подоцна алтернаторите биле наменети за разни наизменични струјни фреквенции помеѓу шеснаесет и околу сто херца, за употреба со лачно осветлување и електрични мотори.[16] Специјализирани радиофреквенциски алтернатори како Александерсоновиот алтернатор биле развиени како долгобранови радиопредаватели во Првата светска војна и се користеле во неколку безжични телеграфски станици со голема моќност пред да ги заменат трансмитерите со вакуумски цевки.

Принцип на работа[уреди | уреди извор]

Дијаграм на едноставен алтернатор со ротирачко магнетно јадро (ротор) и стационарна жица (статор), исто покажувајќи ја струјата индуцирана во статорот со ротирачкото магнетно поле на роторот.

Спроводник кој се движи во однос на магнетно поле развива eлектромоторна сила (ЕМС) во неа (Фарадеевиот закон). Оваа електромоторна сила го менува својот поларитет кога се движи под магнетни столбови со спротивен поларитет. Типично, ротирачки магнет, наречен ротор се претвора во стационарен сет на спроводници обвиткано во калеми на железно јадро, наречен статор. Полето минува низ спроводниците, генерира индуцирана електромагнетна сила (електромоторна сила), додека механичкиот влез предизвикува роторот да се сврти

Ротирачкото магнетно поле индуцира агрегатен полнеж во намотките на статорот. Бидејќи струењата во облогите на статорот варираат во чекор со положбата на роторот, алтернаторот е синхрон генератор.

Магнетното поле на роторот може да биде создадено од постојани магнети, или со електромагнет од електромагнетниот полимер. Автомобилските алтернатори користат ротирачки намотки кои овозможуваат контрола на генерираниот напон на алтернаторот со менување на струјата во полето. Машините со постојан магнет ја избегнуваат загубата поради магнетизирање на струјата во роторот, но се ограничени во големината, поради трошокот за магнетен материјал. Бидејќи постојаното магнетно поле е константно, терминалниот напон варира со брзината на генераторот. Агрегатите без четкички за пренос на честички обично се поголеми од оние што се користат во автомобилите.

Автоматскиот уред за контрола на напон ја контролира тековната струја за да го направи излезниот напон константен. Ако излезниот напон од стационарните калеми на арматурата падне поради зголемена побарувачка, поголема струја се внесува во ротирачките теренски калеми низ напонски регулатор (VR). Ова го зголемува магнетното поле околу теренските калеми, што предизвикува поголем напон во конусите на арматурата. Така, излезниот напон се враќа до неговата оригинална вредност.

Алтернаторите што се користат во главните централи, исто така, ја контролираат тековната струја за да ја регулираат реактивната моќност и да помогнат во стабилизирањето на електроенергетскиот систем од ефектите на моменталните грешки. Често постојат три групи на намотки на статорот, физички неутрализирани така што ротирачкото магнетно поле создава трифазна струја, разместени за една третина од периодот во однос на едни со други.

Синхрони брзини[уреди | уреди извор]

, каде е фреквенција во Hz (циклуси во секунда). е бројот на снопови (2,4,6...) и е ротациона брзина изразена во вртежи во минута. Многу стари описи на системи на наизменична струја понекогаш ја даваат фреквенцијата во однос на алтернациите во минута, сметајќи го секој полуциклус како една алтернација; па 12.000 алтернации за минута одговараат на 100 Hz. 

Излезната фреквенција алтернаторот зависи од бројот на полови и ротационата брзина. Брзината што одговара на одредена фреквенција се нарекува синхрони брзина за таа фреквенција. Оваа табела дава неколку примери:

Полови вртежи во минута за 50 Hz вртежи во минута за 60 Hz вртежи во минута за 400 Hz
2 3.000 3.600 24.000
4 Околу 1.500 1.800 12.000
6 1.000 1.200 8.000
8 750 900 6.000
10 600 720 4.800
12 500 600 4.000
14 428,6 514,3 3.429
16 375 450 3.000
18 333,3 400 2.667
20 300 360 2.400
40 150 180 1.200

Класификации[уреди | уреди извор]

Алтернаторите можат да бидат класифицирани според методот на побудување, бројот на фази, видот на ротација, методот на ладење и нивната примена.[17]

Алтернатори со побудување[уреди | уреди извор]

Постојат два главни начини за да се произведе магнетно поле кои се користи во алтернаторите, со користење на постојани магнети кои создаваат сопствено постојано магнетно поле или со користење на теренски калеми. Алтернатори кои користат постојани магнети се наречени магнетос.

Во други алтернатори, намотките во полето формираат електромагнет да се произведе ротирачкото магнетно поле.

Уред кој користи постојани магнети за производство на наизменична струја се нарекува постојан магнетски алтернатор (PMA). Генераторот на постојан магнет (PMG) може да произведе или наизменична струја или директна струја ако има комутатор.

Директно поврзан еднонасочен генератор[уреди | уреди извор]

Овој метод на побудување се состои од помали генератори за директна струја (DC) фиксиран на истата оска со алтернаторот. Генераторот на еднонасочна струја генерира мала количина на електрична енергија доволно за да ги поттикне теренските калеми од поврзаниот алтернатор за да генерира електрична енергија. Варијација на овој систем е тип на алтернатор кој користи директна струја од батеријата за почетно поттикнување при стартување, по што алтернаторот станува само-поттикнат.

Трансформација и исправање[уреди | уреди извор]

Овој метод зависи од резидуалниот магнетизам задржан во јадрото на железо за да генерира слабо магнетно поле што ќе овозможи создавање на слаб напон. Овој напон се користи за да ги поттикне теренските калеми за алтернаторот за да генерира посилен напон како дел од процесот на изградување. По првичното издигнување на напон на наизменична струја, полето се снабдува со поправен напон од алтернаторот.

Алтернатори без четки[уреди | уреди извор]

Алтернаторот без четкички е составен од два алтернатори изградени крај-до-крај на една осовина. Помалите бесшумни алтернатори може да изгледаат како една единица, но двата дела лесно се препознаваат на големите верзии. Поголемиот дел од двата дела е главен алтернатор, а помалиот е поттикнувачот. На поттикнувачот има стационарни теренски калеми и ротирачка арматура. Главниот алтернатор ја користи спротивната конфигурација со ротирачко поле и стационарна арматура. Исправувач на мостот, е монтиран на роторот. Не се користат ниту четки ниту лизгачки прстени, со што се намалува бројот на делови. Главниот алтернатор има ротирачко поле како што е опишано погоре и стационарна арматура (намотки за производство на електрична енергија).

Измената на количината на струја низ стационарните полнежни калеми варираат на 3-фазен излез од поттикнувачот. Овој излез се коригира со склопувач на ротирачки исправувач, монтиран на роторот, а добиената еднонасочна струја го снабдува ротирачкото поле на главниот алтернатор, а со тоа и излезот на алтернаторот. Резултат на сето ова е тоа што мал поттикнувач на еднонасочна струја индиректно го контролира излезот на главниот алтернатор.

Примерите од мал обем се присутни кај моторните погонски мотори. На пример, раните Хонда четирицилиндрични мотоцикли (CB750F, CB350F, CB500F, CB550F) користеа брз Hitachi 200W генератор. Ова има фиксен „ротор“ навив на надворешниот капак; надворешниот крај на железното јадро е диск што го затвара полкот на надворешниот ротор. Роторот се состои од два пресечени шестполечни „канџи“ заварени и разделени со немагнетен прстен. Ова е затегнато директно до крајот на кацигата со пет лежишта преку средиштето на еден пол. Другиот пол има отворен крај да ги прими намотките на статорот. Надворешната обвивка исто така ги држи трифазните намотки на статорот. Магнетното коло има две помошни воздушни празнини помеѓу роторот и неговото стационарно јадро. Регулаторот бил конвенционален автомобилски тип со вибрирачки точки. Бидејќи нема прстени, тој бил многу компактен и солиден, но поради помошни воздушни празнини, има слаба ефикасност. 

Според бројот на фази[уреди | уреди извор]

Друг начин да се класифицираат алтернаторите е по бројот на фази на нивниот излезен напон. Излезот може да биде еднофазен, или полифазен. Трифазните алтернатори се најчести, но полифазни алтернатори може да бидат двофазни, шестфазни, или повеќефазни.

Според ротирачкиот дел[уреди | уреди извор]

Револвирачкиот дел од алтернаторите може да биде арматура или магнетно поле. Револвирачкиот тип со арматура има навив на арматурата на роторот, каде што навивот се движи низ стационарно магнетно поле. Револвирачкиот тип со арматура не се користи често. Револвирачкиот тип со поле има магнетно поле на роторот за да се ротира преку стационарно намотување на арматурата. Предноста е во тоа што тогаш колото на роторот носи многу помала моќност од колото на арматурата, што ги прави врските на лизгачките прстени помали и помалку скапи; само два контакти се потребни за роторот со директна струја, додека често пати свиткувањето на роторот има три фази и повеќе делови за кои секој бара врска на лизгачки прстен. Стационарната арматура може да се навива за секое средно напонско ниво, до десетици илјади волти; Производството на конектори за лизгачки прстени за повеќе од неколку илјади волти е скапо и непогодно.

Методи на ладење[уреди | уреди извор]

Многу алтернатори се ладат со амбиентниот воздух, преку комората со приклучен вентилатор на истата оска што го придвижува алтернаторот. Во возилата како што се транзитните автобуси, големата побарувачка на електричниот систем може да бара голем алтернатор кој треба да се лади со масло. [18] Исто така се користи и ладење со вода. Скапите автомобили може да користат алтернатори за ладење со вода за да се исполнат високите побарувачки на електричниот систем.

Специфични апликации[уреди | уреди извор]

Електрични генератори[уреди | уреди извор]

Повеќето производители на електрична енергија користат синхрони машини како нивни генератори. Поврзувањето на овие генератори со алатната мрежа бара условите за синхронизација да бидат исполнети.[19]

Автомобилски алтернатори[уреди | уреди извор]

Алтернатор монтиран на автомобилски мотор со серпентинска појасна макара (појасот не е прикажан.)

Алтернаторите се користат во модерните автомобили за полнење на батеријата и за напојување на електричниот систем, кога моторот работи.

До 1960-тите години, автомобилите користеле DC динамо генератори со комутатори. Со достапноста на евтин силициум диодни исправувачи, наместо тоа, се користеле алтернатори.

Дизел-електрични локомотивни алтернатори[уреди | уреди извор]

Во подоцнежните дизел-електрични локомотиви и дизел-електрични единици, главниот двигател го претвора алтернаторот кој обезбедува електрична енергија за влечните мотори (AC или DC).

Алтернаторот за влечење обично вклучува интегрирани силиконски диодни исправувачи за да им обезбеди на влечните мотори со до 1200 волти DC или заедничка инверторска шина.

Првите дизел-електрични локомотиви, и многу од оние кои сè уште се во употреба, користат DC генератори како, пред силиконската електроника, полесно е да се контролира брзината на мотори со еднонасочна струја. Повеќето од нив имаат два генератора: еден за генерирање на струја за поголем главен генератор.

Евентуално, генераторот, исто така, обезбедува главно крајна електрична енергија или моќ за електрично греење на возот. Таа бара постојана брзина на моторот, обично 900 вртежи во минута за 480 V 60 Hz апликација, дури и кога локомотивата не се движи.

Морски алтернатори[уреди | уреди извор]

Морските алтернатори што се користат во јахти се слични на автомобилските алтернатори, со соодветни прилагодувања за солената вода. Морските алтернатори се дизајнирани да бидат неексплозивни, на начин што искрите од четката да не ги запали експлозивните гасни смеси во околината на моторот. Тие може да бидат 12 или 24 волти во зависност од видот на инсталираниот систем. Поголемите морски дизели можат да имаат два или повеќе алтернатори за да се справат со тешката електрична побарувачка на една модерна јахта. На единечни алтернаторски кола, моќта може да се подели помеѓу стартната батерија на моторот и домашната или куќната батерија (или батериите) со употреба на диода со поделба на полнежите (изолатор на батерија).

Радиоалтернатори[уреди | уреди извор]

Високoфреквентни алтернатори на типот на варијабилно-одбивање биле комерцијално применети за радиопренос во радиофреквенциите со ниски фреквенции. Овие биле користени за пренос на Морзеовиот код и, експериментално, за пренос на глас и музика. Во Александарсовиот алтернатор, и намотката на полето и арматурната намотка се стационарни, а струјата се индуцира во арматурата поради менување на магнетното поле на роторот (кој нема намотки или делови за пренeсување на полнежот). Таквите машини биле направени за производство на радиофреквентна струја за радиопренос, иако ефикасноста била ниска. 

Поврзано[уреди | уреди извор]

Генератор

Наводи[уреди | уреди извор]

  1. „Abraham Ganz at the Hindukush“. Studiolum. http://riowang.com/2015/09/abraham-ganz-at-hindukush.html. 
  2. Aylmer-Small, Sidney (1908). „Lesson 28: Alternators“. Electrical railroading; or, Electricity as applied to railroad transportation. Chicago: Frederick J. Drake & Co.. стр. 456–463. https://books.google.com/books?id=jdk7AAAAMAAJ. 
  3. Gordon R. Selmon, Magnetoelectric Devices, John Wiley and Sons, 1966 no ISBN pp. 391-393
  4. „List of Plug/Sockets and Voltage of Different Countries“. World Standards. http://www.worldstandards.eu/electricity/plug-voltage-by-country/. 
  5. D. M. Mattox, The Foundations of Vacuum Coating Technology, page 39
  6. CHARLES C. BRITTON, An Early Electric Power Facility in Colorado, Colorado Magazine v49n3 Summer 1972, page 185
  7. „Milestones:Ames Hydroelectric Generating Plant, 1891“. IEEE Global History Network. IEEE. http://www.ieeeghn.org/wiki/index.php/Milestones:Ames_Hydroelectric_Generating_Plant,_1891. конс. 29 јули 2011 г. 
  8. Christopher Cooper, The Truth about Tesla: The Myth of the Lone Genius in the History of Innovation, Quarto Publishing Group USA – 2015, page 93
  9. Thompson, Sylvanus P., Dynamo-Electric Machinery. p. 7.
  10. Jill Jonnes, Empires of Light: Edison, Tesla, Westinghouse, And The Race To Electrify The World, Random House – 2004, page 47
  11. Donald Scott McPartland, Almost Edison: How William Sawyer and Others Lost the Race to Electrification, ProQuest – 2006, page 135
  12. American Society for Engineering Education (1995). Proceedings, Part 2. стр. 1848. https://books.google.com/books?id=EZVRAAAAMAAJ&q=ganz+%22constant+voltage+generator%22&dq=ganz+%22constant+voltage+generator%22&hl=en&sa=X&ved=0ahUKEwjlsLXizcHOAhWLaRQKHVfGAOAQ6AEIQTAC. 
  13. Robert L. Libbey (1991). A Handbook of Circuit Math for Technical Engineers. CRC Press. стр. 22. ISBN 9780849374005. https://books.google.com/books?id=b6dD_bqZNyoC&pg=PA22&lpg=PA22&dq=%22constant+voltage+generator%22&source=bl&ots=9K7QmQ2gVO&sig=aq1SVBeu3jAyOAuEaafp6EsA-Ko&hl=en&sa=X&ved=0ahUKEwij4oO1u9rOAhVBmBQKHUIaDmQQ6AEILDAD#v=onepage&q=%22constant%20voltage%20generator%22&f=false. 
  14. Thompson, Sylvanus P.. „Milestones:Alternating Current Electrification, 1886“. IEEE Global History Network. http://www.ieeeghn.org/wiki/index.php/Milestones:Alternating_Current_Electrification,_1886. конс. 22 септември 2013 г. 
  15. Thompson, Sylvanus P., Dynamo-Electric Machinery. pp. 17
  16. Thompson, Sylvanus P., Dynamo-Electric Machinery. pp. 16
  17. Aviation Maintenance Technician Handbook—General (FAA-H-8083-30). Federal Aviation Administration. 2008. стр. 10_160—10_161. http://www.faa.gov/regulations_policies/handbooks_manuals/aircraft/amt_handbook/media/FAA-8083-30_Ch10.pdf. конс. 6 септември 2013 г. 
  18. Gus Wright, Fundamentals of Medium/Heavy Duty Diesel Engines, Jones & Bartlett Publishers, 2015, page 1233
  19. Soft synchronization of dispersed generators to micro grids for smart grid applications

Надворешни врски[уреди | уреди извор]