Содержание
КПД и мощность генератора это взаимосвязанные вещи. И судя по всем расчётам и формулам, а также по реальным данным прокрутки генераторов на нагрузку, можно увидеть что максимальная мощность генератора когда его напряжение просаживается ровно на 50% от напряжения без нагрузки. При всех других вариантах, когда напряжение генератора падает более 50% или менее, мощность генератора падает.
КПД генератора тоже зависит от падения напряжения, и самый высокий КПД при самой маленькой просадке напряжения. Соответственно чем больше просадка по напряжению тем ниже КПД генератора. Генератор и нагрузку можно представить как два сопротивления в замкнутой цепи, и потреблять больше энергии будет то сопротивление которое выше, так-как на нём меньше падение напряжения при равном токе во всей цепи.
Катушки генератора, то-есть его обмотка по сути работает сама на себя, а нагрузка является лишь проводником замыкающим концы обмоток генератора. Обмотка генератора является также и потребителем своей собственной энергии. По этому катушки становятся магнитами и сопротивляются магнитному полю магнитов, от этого появляется нагрузка при вращении генератора. Но сколько энергии потребляет обмотка генератора, а всё по закону Ома. Потребление обмотки зависит от падения напряжения и тока протекающего через обмотку.
Так к примеру если падение напряжения генератора составило 20 вольт, а сопротивление его обмотки 1,5 Ом, то ток цепи будет равен падению напряжения делённого на сопротивление, и тогда 20v:1.5om=13.3 A. Соответственно умножаем этот ток на напряжение, которое упало на обмотке и получим ту мощность которую потребляет обмотка генератора. То-есть 20v*13.3A=266 Watt.
К примеру мы заряжаем аккумулятор, и его напряжение при заряде 14 вольт. Напряжение генератора упало на 20 вольт, значит оно было в холостую 34 вольта, и падение составило 58%. И тогда мощность потребляемая аккумулятором составит 14*13.33=186 ватт. То-есть 186 ватт жрёт аккумулятор, а 266 ватт жрёт обмотка генератора создавая магнитное поле. Общая мощность которую потрбляет вся эта связка генератор+АКБ равна 266+186=452 ватта. КПД генератора соответственно 41%. Собственно по-этому винт для ветрогенератора в этом случае должен иметь большой запас по мощности, более чем в два раза мощней чем та мощность что выходит из генератора.
Активное сопротивление потребителя, в данном случае АКБ при этом составит, 14V поделённое 13.3A=1.05 Ом.
Вариант второй: Допустим напряжение генератора падает на 15%. Какой будет его КПД в процентах?, и его мощность в процентах от максимально возможной?. Если падение напряжения составило 15% то это значит что сопротивление нагрузки выше чем сопротивление обмотки генератора. Какое оно это сопротивление? Напряжение делённое на ток является сопротивлением, а ток зависит от падения напряжения поделённого на сопротивление.
Пускай будет те-же 34 вольта в холостую у генератора, и его сопротивление 1.5 Оm. Напряжение упало на 15% и составило 25.5 вольт, разница 34-25.5=8,5 вольт. Ток равен падению напряжения умноженного на сопротивление. Тогда 8.5:1.5=5.6А — ток в цепи, 8.5*5.6 это 47.6 ватта, то-есть 47.6 ватт потребление генератора (падает на обмотке генератора в виде создания электрического поля). А потребление нагрузки равно её току и напряжению, это значит 25.5v*5.6a=142.8Watt. Общее потребление всей связки генератор и нагрузка равно 47.6+142.8=190.4 ватта. В этом случае кпд генератора 75%. А сопротивление нагрузки 25.5:5.6=4.5om
Что-же из этого всего следует, а следует прямая зависимость КПД генератора и его мощности от падения напряжения на нём в процентном соотношении. КПД генератора прямо пропорционален падению напряжения на нём. Мощность генератора пропорциональна падению напряжения, и самая высокая мощность когда падение напряжения составляет 50%
Таким образом если хотите с генератора всегда снимать максимум мощности, при любых оборотах то нужно напряжение держать на уровне 50%, но КПД генератора в таком режиме всегда будет равен 50%.
На компетентность и правдивость изложенной информации в статье я не претендую. Это лишь моё видение картины на данный момент моего развития в этой теме, и я вполне могу заблуждаться и сделать неверные выводы из всего этого. Вам решать какие делать выводы из этого. Но если я заблуждаюсь насчёт КПД регенератора, когда говорю что если сопротивление генератора выше то он сам потренбляет больше энергии чем отдаёт нагрузке. То спросите себя куда девается энергия, механическая энергия если КПД генератора например 80%. Например если генератор на 3кВт и его КПД 80% то значит что порядка 800 ватт у нас потери КПД. Где эти потери, в чём они выражаются? Неужели всё уходит в нагрев генератора, целых 800 ватт, да обмотка расплавится и сгорит если там будет выделяться тепла почти 1 кВт, от генератора как от печки тогда можно помещение отапливать. А если КПД 50% то страшно представить сколько там на нагрев пойдёт.
Нет, не на нагрев уходит мощность, а на создание магнитного поля, катушки становятся электромагнитами и потребляют энергию сопротивляясь вращению ротора. Именно в магнитное поле обмотки генератора уходит основная часть энергии, которая падает на генераторе. Ниже видео где я попытался объяснить описанное в статье.
Когда-то генераторы постоянного тока, преобразующие механическую энергию в электрическую, были единственными источниками электроэнергии. На сегодня чаще всего используются надежные трехфазные преобразователи переменного тока. Но в некоторых отраслях постоянный ток был регулярно востребован, поэтому устройства для выработки последнего неизменно совершенствовались.
Как работает
Функционирование генератора основывается на свойствах, которые следуют из известного закона электромагнитной индукции. Когда замкнутый контур разместить между полюсами магнита (постоянного), то в условиях вращения он будет проходить через магнитный поток. Во время перехода вырабатывается электродвижущая сила, возрастающая при приближении к полюсу. В случае, если присоединить нагрузку, то образуется поток тока. Когда витки рамки будут выходить из области воздействия магнита, то ЭДС будет уменьшаться и достигнет нуля при горизонтальном положении рамки. При дальнейшем вращении противолежащие контурные части изменят магнитную полярность.
Значения ЭДС в активных обмотках контура вычисляются по формулах: е1= В I v sin wt, е2= — В I v sin wt, где I — длинна одной стороны рамки, В — магнитная индукция, v — скорость вращения (линейная) контура, t — время, wt — угол пересечения магнитного потока рамкой.
Направление тока меняется в период смены полюсов. Поскольку вращение коллектора происходит одновременно с рамой, то электроток на нагрузке имеет одинаковое направление. Такая схема лежит в основе выработки постоянного электричества. Суммарная ЭДС будет иметь следующий вид: е= 2В I v sin wt.
Такой ток почти непригоден для применения, поскольку присутствуют пульсации ЭДС. Последние надо уменьшать к допустимому уровню. Для этой цели применяют много магнитных полюсов, рамки заменяют якорями, у которых намного больше обмоток и коллекторов. К тому же, соединение обмоток выполняется разными методами.
Ротор производится из стали. В пазы на сердечниках укладываются витки провода, которые составляют рабочую обмотку якоря. Проводники соединяют последовательно. Они образуют секции, создающие замкнутую цепь.
Интересно! Для процесса генерации неважно: вращаются обмотки контура или магнит. По этой причине роторы для маломощных альтернаторов изготавливают из постоянных магнитов, а переменный ток выпрямляют при помощи диодных мостов или иными схемами.
Узнать, из чего состоит генератор постоянного тока, поможет картинка 4.
Установка состоит из главных узлов:
- неподвижная часть — главные и дополнительные полюса, станина;
- вращающаяся часть (якорь) — стальной сердечник, коллектор.
В процессе работы установки ток проводится сквозь обмотку и образуется магнитный поток полюсов. Специальные неподвижные щетки (из сплава графита) способствуют объединению обеих частей генератора в единую цепь.
Устройство и принцип действия генератора постоянного тока за долгий период применения остались прежними, несмотря на некоторые совершенствования.
Классификация
Существуют генераторы постоянного тока с независимым возбуждением обмоток, с самовозбуждением. Последние модели используют электричество, которое ими же вырабатывается. По способу объединения обмоток якорей альтернаторы делят на устройства с возбуждением следующих типов:
Схема генератора постоянного тока представлена на картинке 5.
С параллельным возбуждением
Чтобы электроприборы работали в нормальном режиме, необходимо стабильное напряжение, которое не зависит от изменений в общей нагрузке. Эта проблема решается методом настройки параметров возбуждения. В таких генераторах катушка подключена (через реостат) параллельно обмотке якоря. Реостат может замыкают обмотку. В противном случае при разъединении цепи возбуждения внезапно повысится ЭДС самоиндукции, что может повредить изоляционный материал. В состоянии непродолжительного замыкания энергия превращается в тепловую, чем предотвращается разрушение устройства.
Электромашины с возбуждением такого вида не требуют внешнего источника питания. Самовозбуждение обмоток происходит под действием остаточного магнетизма в сердечнике магнита. Последние, для улучшения описанного процесса, производят из стали. Самовозбуждение длится до тех пор, пока ток не станет максимальным, а электродвижущая сила не покажет номинальное значение.
Преимущество вышеописанных электрогенераторов в том, что на них почти не влияют электротоки при коротком замыкании.
С независимым возбуждением
Источниками питания для обмоток нередко стают аккумуляторы или же иные устройства. В машинах с малой мощностью применяются постоянные магниты, обеспечивающие присутствие главного магнитного потока. На валу альтернатора располагают микрогенератор (возбудитель), который вырабатывает электроток для возбуждения якорных обмоток. Для этой цели необходимо от 1 до 3 % номинального тока якоря. Изменение электродвижущей силы выполняется регулирующим реостатом.
Достоинство: на возбуждающий ток не имеет воздействия напряжение на зажимах.
С последовательным возбуждением
Последовательными обмотками вырабатывается ток, который равняется электротоку альтернатора. В случае холостого хода отсутствует нагрузка, поэтому возбуждение нулевое. Это обозначает, что регулировочные свойства не существуют.
В агрегате с последовательным возбуждением почти нет тока, если ротор вращается на холостых оборотах. Чтобы запустить возбуждение, требуется подключение нагрузки к зажимам устройства. Явная связанность напряжения с нагрузкой считается огромным минусом последовательных обмоток. Подобные агрегаты используются лишь для питания электрических приборов, у которых нагрузка постоянная.
Со смешанным возбуждением
Самые лучшие свойства собраны в конструкции агрегатов со смешанным возбуждением. Особенность устройств в том, что они состоят из двух катушек:
- основная — подключена параллельным способом к обмоткам якоря;
- вспомогательная — подключена последовательным способом.
В цепи основной присутствует реостат, который регулирует ток возбуждения. Процедура самовозбуждения генератора со смешанным типом такая же, как у агрегата с параллельными обмотками (в самовозбуждении не принимает участия последовательная обмотка, так как отсутствует исходный ток). А свойства холостого хода идентичны характеристикам генератору с параллельной обмоткой. Такие особенности разрешают настраивать напряжение на зажимах устройства.
Технические параметры
Работа генератора определяется зависимостью между основными величинами, которые являются его главными характеристиками:
- отношения между величинами на холостом ходу;
- внешние параметры;
- регулировочные значения.
Внешняя характеристика генератора постоянного тока крайне важна, так как раскрывает взаимосвязь напряжения и нагрузки. Она отображена на графике. Согласно последнего наблюдается незначительное уменьшение напряжения, но оно почти не зависит от нагрузочного тока (если сохраняется скорость оборотов двигателя).
В устройствах с параллельным возбуждением больше выражено влияние нагрузки на напряжение. Это объясняется уменьшением тока в обмотках. Чем выше ток нагрузки, тем быстрее будет уменьшаться напряжение на зажимах агрегата.
Если увеличить величину тока при последовательном возбуждении, то вырастет ЭДС. Но напряжение не достигнет высокого значения электродвижущей силы, так как часть энергии уйдет на потери от вихревых токов.
При достижении напряжением максимального значения и одновременным увеличением нагрузки, первое начинает стремительно снижаться в то время, как кривая электродвижущей силы продолжает подниматься. Это считается большим недостатком, ограничивающим использование генератора такого типа.
В устройствах со смешанным возбуждением предвиденные встречные подключения обеих катушек. Конечная сила при однонаправленном подключении равняется сумме векторов намагничивающих сил, при встречном — их разнице.
При равномерном увеличении нагрузки напряжение на зажимах почти не меняется. Оно будет расти лишь тогда, если число проводов последовательной обмотки превышает число витков, которое соответствует номинальному возбуждению якоря.
Генераторы со встречным включением применяются в том случае, если нужно ограничить токи короткого замыкания. К примеру, при подсоединении аппаратов для сварки.
Важной характеристикой генератора считается его КПД — соотношение полезной и полной мощности: η = P 2 / P1. При холостом ходе такое отношение равно нулю (η=0). При номинальных нагрузках КПД достигнет максимального значения. Мощные агрегаты имеют коэффициент полезного действия около 90 %.
Электродвижущая сила (ее значение) пропорциональна магнитному потоку, числу проводников (активных) в обмотках, частоте вращения якоря. Если менять последние параметры, то можно легко управлять значением ЭДС. Последнее относится и к напряжению. Нужный результат достигается методом изменения частоты вращения якоря.
Мощность
Выделяют полезную и полную мощности устройства. При постоянной электродвижущей силе полная мощность находится в прямо пропорциональной зависимости от тока: P=EIa. Полезная, которая отдается в цепь, Р1=UI.
Реакция якоря
Если к альтернатору подключить внешнюю нагрузку, то электротоки его обмотки создадут магнитное поле. Тогда возникнет сопротивление полей якоря и статора. Поле будет самым сильным в тех местах, где ротор приближается к магнитным полюсам, очень слабым — в точках максимального удаления. Ротор чувствует магнитное насыщение стальных катушечных сердечников. Сила реакции напрямую зависит от насыщенности в проводах. В результате на пластинках коллекторов будет происходить искрение щеток.
Уменьшение реакции достигается при использовании восполняющих магнитных полюсов или передвижением щеток с линии оси.
Где используются
Еще совсем недавно генераторы постоянного тока устанавливались на транспорте для железных дорог. Но сейчас их вытесняют синхронные трехфазные устройства. Переменный ток синхронных агрегатов выпрямляют полупроводниковыми установками. Некоторые новые локомотивы используют асинхронные двигатели, которые работают на переменном токе.
Такие же обстоятельства и с автогенераторами, которые постепенно замещают асинхронными устройствами с дальнейшим выпрямлением.
Стоит заметить, что передвижное оборудование для сварки (имеющие автономное питание) обычно находится в паре с таким генератором. Отдельные отрасли промышленности продолжают применять мощные агрегаты описанного типа.
ОСНОВНОЕ ОБОУДОВАНИЕ
ЛЕКЦИИ 14, 15, 16
ТЕМА 4.1. (6 часов)
Синхронные генераторы
План
4.1.1. Синхронные генераторы
4.1.2. Системы охлаждения
4.1.3. Системы возбуждения генераторов
4.1.4 Гашение поля генераторов
4.1.5. Включение генераторов на параллельную работу
4.1.6. Режимы работы синхронных генераторов
4.1.7. Автоматическое регулирование возбуждения
На электростанциях применяются синхронные генераторы трехфазного переменного тока. Основными типами современных синхронных генераторов являются турбогенераторы и гидрогенераторы, первичным двигателем которых соответственно является паровая (газовая) или гидравлическая турбина.
Характерной особенностью турбогенераторов, в отличие от гидрогенераторов, является большая скорость вращения, они относятся к категории быстроходных машин. Быстроходные генераторы являются более экономичными в работе и имеют меньший расход активных материалов на единицу мощности, так как с увеличением скорости вращения размеры и вес, как генератора, так и паровой турбины уменьшаются. Все современные турбогенераторы имеют одинаковую скорость вращения 1500 и 3000 об/мин при частоте 50 Гц и числе пар полюсов 
или 
. Роторы таких генераторов выполняются с неявно выраженными полюсами в виде цельных поковок из высококачественной легированной стали. В роторе фрезерованы пазы, в которые укладывают обмотку возбуждения.
Сердечник статора выполняют из тонких стальных листов, которые набирают пакетами с каналами для вентиляции. Во внутренней части пакетов имеются пазы, в которые укладывают обмотку статора.
Турбогенераторы выполняют исключительно с горизонтальным валом, в то время как гидрогенераторы средней и большой мощности имеют обычно вертикальное расположение вала, явнополюсной ротор и относительно низкую скорость вращения в пределах 100—750 об/мин., что объясняется конструктивными особенностями гидротурбин.
Номинальные параметрыгенераторов. Каждый синхронный генератор характеризуется следующими основными номинальными параметрами: напряжением, мощностью, током статора, током ротора, частотой, коэффициентом мощности — cos φ и КПД.
Номинальным напряжением генератора называют то напряжение, при котором он предназначен для нормальной работы. ГОСТ устанавливают номинальные напряжения генераторов на 5 % выше соответствующих номинальных напряжений электрических сетей для компенсации потерь напряжения в сетях при их нормальной нагрузке.
Номинальная мощность генератора определяется как длительно допустимая нагрузка при определенной расчетной температуре охлаждающего вещества (газа или жидкости) и длительно допустимой температуре нагрева обмотки и стали статора и обмотки ротора.
Для трехфазного генератора номинальная мощность определяется по формуле
Номинальная полная мощность генератора определяется по формуле
Для номинальных мощностей турбогенераторов ГОСТом установлен стандартный ряд от 2,5 до 1200 МВт. Мощности гидрогенераторов оптимизированы по конкретным значениям напоров и расходов воды на ГЭС и ГАЭС.
Номинальный ток статора определяется по формуле
Номинальный ток ротора — это ток возбуждения генератора, при котором обеспечивается отдача генератором его номинальной мощности.
Номинальный коэффициент мощности — cos φ у большинства синхронных генераторов равен 0,8 и 0,85. У генераторов мощностью 800—1200 МВт он равен 0,9.
Коэффициент полезного действия характеризует генератор при номинальной нагрузке и номинальном коэффициенте мощности. У современных турбогенераторов номинальный КПД колеблется в пределах 97,5—98,9 %. Чем мощнее генератор, тем выше его КПД. С уменьшением нагрузки и коэффициента мощности КПД генератора уменьшается.
Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:
Лучшие изречения: Для студентов недели бывают четные, нечетные и зачетные. 9483 — 
| 7456 — 
или читать все.
91.146.8.87 © studopedia.ru Не является автором материалов, которые размещены. Но предоставляет возможность бесплатного использования. Есть нарушение авторского права? Напишите нам | Обратная связь.
Отключите adBlock!
и обновите страницу (F5)
очень нужно
