Войти
Элементарный генератор - это пример однофазных генераторов с двумя полюсами Однофазный генератор (также известный как однофазный генератор переменного тока ) представляет собой генератор переменного тока электрический генератор, который вырабатывает одно непрерывное переменное напряжение. Однофазные генераторы могут использоваться для выработки энергии в однофазных электрических системах. Однако многофазные генераторы обычно используются для подачи энергии в трехфазной распределительной системе, и вместо этого ток преобразуется в однофазный около однофазных нагрузок. Поэтому однофазные генераторы используются в приложениях, которые чаще всего используются, когда приводимые в действие нагрузки относительно легкие и не подключены к трехфазному распределению, например, портативные двигатели-генераторы. Однофазные генераторы большего размера также используются в специальных приложениях, таких как однофазные тяговые устройства для систем электрификации железных дорог.
Конструкция генераторов с вращающимся якорем якоря должна иметь часть якоря на роторе и часть магнитного поля на статоре. Базовая конструкция, называемая элементарным генератором, должна иметь прямоугольную петлю якоря, чтобы разрезать силовые линии между северным и южным полюсами. Разрезая силовые линии посредством вращения, он производит электрический ток. Ток выводится из генераторного блока через два набора контактных колец и щеток, по одной из которых используется для каждого конца якоря. В этой двухполюсной конструкции, когда якорь вращается на один оборот, он генерирует один цикл однофазного переменного тока (AC). Чтобы генерировать выход переменного тока, якорь вращается с постоянной скоростью, имеющей количество оборотов в секунду, чтобы соответствовать желаемой частоте (в герцах ) выхода переменного тока.
Якорь при 0 градусах.
Якорь под углом 90 градусов.
Якорь на 180 градусов.
Якорь на 270 градусов.
Арматура на 360 градусов.
Взаимосвязь вращения якоря и выхода переменного тока можно увидеть на этой серии изображений. Из-за кругового движения якоря против прямых силовых линий переменное количество силовых линий будет разрезано даже при постоянной скорости движения. При нулевом градусе прямоугольное плечо якоря не пересекает силовых линий, обеспечивая нулевое выходное напряжение. Поскольку рычаг якоря вращается с постоянной скоростью в сторону положения 90 °, обрезается больше линий. Силовые линии обрезаются максимум, когда якорь находится в положении 90 °, выдавая наибольший ток в одном направлении. Когда он поворачивается к положению 180 °, меньшее количество силовых линий обрезается, давая меньшее напряжение, пока оно снова не станет нулевым в положении 180 °. Напряжение снова начинает расти, когда якорь направляется к противоположному полюсу в положении 270 °. В этом положении ток генерируется в противоположном направлении, обеспечивая максимальное напряжение на противоположной стороне. Напряжение снова уменьшается, когда он завершает полный оборот. За один оборот выход переменного тока вырабатывается за один полный цикл, как показано в синусоиде.
Якорь однофазного генератора с вращающимся якорем с 4 обмотками и его выходной синусоидальной волной. 
Однофазный генератор с четырьмя полюса К однофазному генератору можно добавить больше полюсов, чтобы один оборот мог производить более одного цикла выхода переменного тока. В примере слева часть статора изменена так, чтобы иметь 4 полюса, которые расположены на одинаковом расстоянии. К двум южным полюсам примыкает северный полюс. Также изменилась форма якоря в роторной части. Это больше не плоский прямоугольник. Рука согнута на 90 градусов. Это позволяет одной стороне якоря взаимодействовать с северным полюсом, в то время как другая сторона взаимодействует с южным полюсом аналогично двухполюсной конфигурации. Ток по-прежнему подается через два набора контактных колец и щеток таким же образом, как и в двухполюсной конфигурации. Разница в том, что цикл выхода переменного тока может быть завершен после поворота якоря на 180 градусов. За один оборот выход переменного тока будет два цикла. Это увеличивает частоту выхода генератора. Можно добавить больше полюсов, чтобы получить более высокую частоту при той же скорости вращения генератора или ту же выходную частоту при более низкой скорости вращения генератора в зависимости от применения.
Эта конструкция также позволяет нам увеличивать выходное напряжение за счет изменения формы якоря. Мы можем добавить к арматуре больше прямоугольных петель, как показано на рисунке справа. Дополнительные петли на плече якоря соединены последовательно, которые фактически представляют собой дополнительные обмотки того же проводящего провода, образующие катушку прямоугольной формы. В этом примере в катушке 4 обмотки. Поскольку формы всех обмоток одинаковы, количество силовых линий будет разрезано на одинаковую величину в одном направлении в одно и то же время во всех обмотках. Это создает в фазе выход переменного тока для этих 4 обмоток. В результате выходное напряжение увеличивается в 4 раза, как показано синусоидой на диаграмме.
Схема однофазного генератора с вращающимся полем с двумя полюсами 
Схема вращающегося поля однофазный четырехполюсный генератор Конструкция генераторов вращающегося поля должна иметь часть якоря на статоре и часть магнитного поля на роторе. Справа показана базовая конструкция однофазного генератора с вращающимся полем. К ротору прикреплены два магнитных полюса, северный и южный, и две катушки, которые соединены последовательно и на равном расстоянии от статора. Обмотки двух катушек имеют обратное направление, чтобы ток протекал в одном направлении, потому что две катушки всегда взаимодействуют с противоположными полярностями. Поскольку полюса и катушки расположены на одинаковом расстоянии, а положения полюсов совпадают с местоположением катушек, магнитные силовые линии разрезаются на одинаковую величину при любой степени поворота ротора. В результате напряжения, наведенные на все обмотки, имеют одинаковое значение в любой момент времени. Напряжения от обеих катушек "в фазе " относительно друг друга. Следовательно, общее выходное напряжение в два раза больше напряжения, индуцированного в каждой обмотке. На рисунке в позиции, где встречаются полюс номер 1 и катушка номер 1, генератор вырабатывает самое высокое выходное напряжение в одном направлении. Когда ротор поворачивается на 180 градусов, выходное напряжение меняется, чтобы создать самое высокое напряжение в другом направлении. Частота переменного тока на выходе в этом случае равна количеству оборотов ротора в секунду.
Эта конструкция также может позволить нам увеличить выходную частоту, добавив больше полюсов. В этом примере справа у нас есть 4 катушки, последовательно соединенные на статоре, а полевой ротор имеет 4 полюса. Обе катушки и полюса расположены на одинаковом расстоянии. Каждый полюс имеет полярность, противоположную полярности соседей, которые расположены под углом 90 градусов. Каждая катушка также имеет обмотку, противоположную соседним. Эта конфигурация позволяет разрезать силовые линии на 4 полюсах 4 витками на одинаковую величину в данный момент времени. При каждом повороте на 90 градусов полярность выходного напряжения переключается с одного направления на другое. Следовательно, есть 4 цикла выхода переменного тока за один оборот. Поскольку 4 катушки соединены последовательно, а их выходы «синфазны», выход переменного тока этого однофазного генератора будет иметь в 4 раза большее напряжение, чем напряжение, генерируемое каждой отдельной катушкой.
Преимущество Конструкция с вращающимся полем заключается в том, что если полюса представляют собой постоянные магниты, то нет необходимости использовать контактное кольцо и щетку для вывода электричества из генератора, поскольку катушки неподвижны и могут быть подключены непосредственно к генератору. к внешним нагрузкам.
Однофазные генераторы, с которыми люди знакомы, обычно небольшие. Эти приложения предназначены для резервных генераторов на случай отключения основного источника питания и для временного энергоснабжения строительных площадок.
Другое применение - малая ветроэнергетика. Хотя в большинстве ветряных турбин используются трехфазные генераторы, однофазные генераторы встречаются в некоторых моделях небольших ветряных турбин с номинальной выходной мощностью до 55 кВт. Однофазные модели доступны для ветряных турбин с вертикальной осью (VAWT) и горизонтально-осевых ветряных турбин (HAWT).
Внутрипроводные гидроэлектростанции турбина с однофазным генератором на муниципальной электростанции Сент-Луиса в 1902 году 
Колесо Пелтона слева подключено к однофазному генератору справа на гидроэлектростанции Вальхензее. 
Однофазный генератор с приводом от парового двигателя на Муниципальная электростанция Сент-Луиса в 1902 году (справа) 
Атомная электростанция Неккарвестхайм В первые дни производства электроэнергии генераторы на электростанциях были однофазными переменного тока или постоянного тока. Направление электроэнергетики изменилось в 1895 году, когда более эффективные многофазные генераторы были успешно внедрены на ГЭС Адамс, которая была первой крупномасштабной многофазной электростанцией станция. На новых электростанциях начали применять многофазную систему. В 1900-х годах многие железные дороги начали электрификацию своих линий. В то время однофазная система переменного тока широко использовалась для их тяговых электрических сетей помимо системы постоянного тока. Первые генераторы для этих однофазных тяговых сетей были однофазными. Даже с новыми трехфазными двигателями, которые использовались в некоторых современных поездах, однофазные передачи для тяговых сетей пережили свое время и до сих пор используются на многих железных дорогах. Однако многие тяговые электростанции со временем заменили свои генераторы, чтобы использовать трехфазные генераторы и преобразовать их в однофазные для передачи.
На раннем этапе развития гидроэнергетики, однофазные генераторы сыграли важную роль в демонстрации преимуществ переменного тока. В 1891 году однофазный генератор на 3000 вольт и 133 Гц мощностью 100 лошадиных сил был установлен на гидроэлектростанции Эймса, которая была связана ремнем с водяным колесом Пелтона. Электроэнергия передавалась по кабелю длиной 4,2 км (2,6 мили) для питания идентичного двигателя на заводе. Завод был первым, кто вырабатывал электрическую энергию переменного тока для промышленного применения, и это продемонстрировало эффективность передачи переменного тока. Это было прецедентом для более крупных электростанций, таких как Электростанция Эдварда Дина Адамса в Ниагара-Фолс, Нью-Йорк в 1895 году. Однако более крупные электростанции работали с использованием многофазных генераторов для большая эффективность. Это оставило применение однофазной гидроэлектроэнергии для особых случаев, таких как легкие нагрузки.
Пример использования однофазной сети в частном случае был реализован в 1902 году на муниципальной электростанции Сент-Луиса. Однофазный генератор мощностью 20 кВт был напрямую подключен к водяному колесу Пелтона для выработки электроэнергии, достаточной для питания легких нагрузок. Это была ранняя демонстрация внутрипроводной гидросистемы для улавливания энергии из потока воды в общественном водопроводе трубопроводе. Энергия для водопровода в этом случае создавалась не за счет силы тяжести, но вода перекачивалась более крупной паровой машиной на водонасосной станции для подачи воды потребителям. Решение о том, чтобы перекачивать воду более крупным двигателем, а затем отбирать часть энергии из потока воды для питания меньшего генератора, использующего водяное колесо, было основано на стоимости. В то время паровые машины были неэффективны и не рентабельны для системы мощностью 20 кВт. Поэтому они установили паровой водяной насос, чтобы иметь достаточно энергии, чтобы поддерживать давление воды для потребителя и одновременно приводить в действие небольшой генератор.
Основное применение однофазной гидроэлектроэнергии сегодня - это подача электроэнергии для тяговая сеть для железных дорог. Многие сети электропередачи для железных дорог, особенно в Германии, зависят от однофазной генерации и передачи, которые используются до сих пор. Известная электростанция - гидроэлектростанция Вальхензее в Баварии. Станция забирает воду из возвышенного озера Вальхензее для привода восьми турбин, приводящих в движение генераторы. Четыре из них - трехфазные генераторы для питания энергосистемы. Остальные четыре однофазных генератора подключены к турбинам Pelton, общая мощность которых составляет 52 МВт для обеспечения электрификации железной дороги переменного тока 15 кВ переменного тока в Германии.
Подобные однофазные генераторы гидроэлектроэнергии также используются в другом варианте электрификации железных дорог. система в США. Электростанция в Safe Harbor Dam в Пенсильвании обеспечивает выработку электроэнергии как для коммунальных предприятий, так и для железной дороги Amtrak. Две из 14 турбин подключены к двум однофазным генераторам для обеспечения системы тягового питания Amtrak 25 Гц. Две турбины относятся к типу Каплана с 5 лопастями мощностью 42 500 лошадиных сил.
В первые годы паровые двигатели использовались в качестве первичных двигателей генераторов. Инсталляция по адресу Св. Городская электростанция Луи в 1900-х годах была примером использования паровых двигателей с однофазными генераторами. На заводе в Сент-Луисе составная паровая машина приводила в действие однофазный генератор мощностью 100 кВт, который вырабатывал ток при номинальной мощности 1150 В.
Паровые двигатели также использовались в течение двадцатого века. в электростанциях тяговых сетей с однофазным распределением мощности для конкретных железных дорог. Примером таких систем генерации и распределения был специальный комплект однофазных генераторов с паровыми турбинами на Уотерсайд-генерирующей станции в Нью-Йорке в 1938 году. Однофазные генераторы были в конечном итоге сняты с производства в конце 1970-х годов из-за опасений по поводу отказа турбины на другой станции. Генераторы были заменены двумя трансформаторами, чтобы перейти от другого трехфазного источника питания к существующей однофазной контактной сети. В конце концов, трансформаторы были заменены на два твердотельных циклоконвертера.
Обычно атомные электростанции используются в качестве базовая нагрузка станций с очень большими мощностями для электроснабжения сетей. Неккарвестхайм I в Неккарвестхайм - это уникальная атомная электростанция, которая оснащена однофазными генераторами большой мощности для снабжения железной дороги Deutsche Bahn определенным напряжением переменного тока. на частоте 16 2/3 Гц. реактор с водой под давлением передает тепловую энергию двум турбинам и генераторам, которые рассчитаны на 187 МВт и 152 МВт.
