Генераторы устройство преобразующее один вид энергии в другой. Электрический генератор — это устройство, в котором неэлектрические виды энергии (механическая, химическая, тепловая) преобразуются в электрическую энергию. До того, как была открыта связь между электричеством и магнетизмом, использовались электростатические генераторы, которые работали на основе принципов электростатики. Они могли вырабатывать высокое напряжение, но имели маленький ток. Их работа была основана на использовании наэлектризованных ремней, пластин и дисков для переноса электрических зарядов с одного электрода на другой. Заряды вырабатывались, используя один из двух механизмов:
Электростатическую индукцию.
Трибоэлектрический эффект, при котором электрический заряд возникал из-за механического контакта двух диэлектриков
По причине низкой эффективности и сложностей с изоляцией машин, вырабатывающих высокие напряжения, электростатические генераторы имели низкую мощность и никогда не использовались для выработки электроэнергии в значимых для промышленности масштабах. Примерами доживших до наших машин подобного рода являются электрофорная машина и генератор Ван де Граафа.
Генератор Ван де Граафа — генератор высокого напряжения, принцип действия которого основан на электризации движущейся диэлектрической ленты.
Первый генератор был разработан американским физиком Робертом Ван де Граафом в 1929 и позволял получать разность потенциалов до 80 киловольт. В 1931 и 1933 были построены более мощные генераторы, позволившие достичь напряжения до 7 миллионов вольт.
Принцип действия
Простой генератор Ван де Граафа состоит из диэлектрической (шёлковой или резиновой) ленты (4 и 5 на рисунке), вращающейся на роликах 3 и 6, причём верхний ролик диэлектрический, а нижний металлический и соединён с землёй. Один из концов ленты заключён в металлическую сферу 1. Два электрода 2 и 7 в форме щёток находятся на небольшом расстоянии от ленты сверху и снизу, причём электрод 2 соединён с внутренней поверхностью сферы 1, а электрод на 7 подаётся электрический потенциал порядка нескольких киловольт (для определённости, положительный относительно земли). Вблизи нижнего электрода воздух ионизируется, образующиеся положительные ионы под действием силы Кулона движутся к заземлённому 6 ролику и оседают на ленте, благодаря чему часть ленты, движущаяся вверх, заряжается. Лента доставляет заряд внутрь сферы 1, где он снимается щёткой 2 благодаря тому, что все заряды выталкиваются на поверхность сферы и потенциал ёе внутренней поверхности всегда равен 0. Таким образом на внешней поверхности сферы накапливается электрический заряд. Возможность получения высокого напряжения ограничена коронным разрядом, возникающим при ионизации воздуха вокруг сферы.
Применение
Генераторы Ван де Граафа применялись (начальное историческое применение) в ядерных исследованиях для ускорения различных элементарных частиц. В настоящее время по мере развития иных способов ускорения частиц их роль в ядерных исследованиях постепенно сошла на нет, но до сих пор они используются для моделирования процессов происходящих при ударе молний, для имитации грозовых разрядов на земле.
Генера́тор Ма́ркса — генератор импульсного высокого напряжения, принцип действия которого основан на зарядке электрическим током соединённых параллельно (через резисторы)конденсаторов, которые после заряжания соединяются последовательно при помощи различных коммутирующих устройств (например газовых разрядников или тригатронов), тем самым увеличивая выходное напряжение пропорционально-ступенчато количеству соединённых конденсаторов.
После зарядки конденсаторов запуск генератора обычно производится после срабатывания первого разрядника (на рисунке обозначенного как trigger (триггер). После срабатывания триггера перенапряжение на разрядниках заставляет срабатывать все зарядники практически одновременно, чем и производится последовательное соединение заряженных конденсаторов.
Генераторы Маркса позволяют получать импульсные напряжения от десятков киловольт до нескольких миллионов и до десятка миллионов вольт.
Частота импульсов, вырабатываемых генератором Маркса зависит от мощности генератора в импульсе — от единиц импульсов в час, до нескольких десятков герц.
Энергия в импульсе генераторов Маркса широко варьируется и может начинаться от величин в десятые джоуля и достигать величин в десятки мегаджоулей.
Пример конструкции
Коаксиальная конструкция генератора Маркса. Является источником импульсов с ~5 нс фронтом.Голубые полоски — диэлектрик (вода) конденсаторов, обкладки которых соединены резисторами (выполнены из скрученной высокоомной проволоки). Разрядные промежутки (двойная линия шаров посередине) расположены так близко, как возможно, и самосинхронизируются вспышками УФ-излучения. Питающее напряжение подводится снизу, высокое снимается с цилиндра наверху.
Лабораторные малые генераторы Маркса до напряжений в 100-200 киловольт могут исполняться с воздушной изоляцией, более мощные генераторы Маркса с более высокими рабочими импульсными напряжениями могут выполняться с вакуумной, газовой (газ с высокой электрической прочностью под давлением, например элегаз), масляной изоляцией, препятствующей как непосредственным паразитным пробоям воздуха так и стеканию зарядов с установки вследствие коронных разрядов.
В случае исполнения генераторов Маркса с ваккумной, газовой или масляной изоляцией генератор обычно помещается в герметичную вакуумированную или заполненную указанными веществами ёмкость. В некоторых конструкциях генераторов Маркса применяют герметизацию конденсаторов и резисторов, но расположение газовых разрядников на воздухе.
В качестве разрядников применяют воздушные разрядники (например с глушителями звука) на напряжение до 100 кВ и ток до 1000 кА, вакуумные разрядники, игнитроны, импульсные водородные тиратроны. Тиристоры в качестве коммутирующих элементов практически не применяются в связи с малыми значениями обратного напряжения и трудностями синхронизации их срабатывания в случае последовательного соединения. Все виды разрядников отличаются теми или иными различными недостатками (эррозией элекродов, недостаточным бстродействием, незначительным сроком службы и т.д.) либо дороги, как например водородные тиратроны.
Для снижения потерь в качестве защитных и разделительных (зарядных) элементов генератора вместо резисторов в некоторых случаях применяют высокодобротные дроссели. В некоторых конструкциях генераторов в качестве резистров применяют жидкостные сопротивления (резисторы).
На рисунке (коаксиальной конструкции) изображён генератор Маркса, использующий жидкостные конденсаторы на деионизированной воде. Такая конструкция улучшает технологичность конденсатора, уменьшает длину соединительных проводников а также позволяет значительно уменьшить общее время срабатывания разрядников благодаря их облучениюУФ-излучением разрядников, сработавших чуть раньше.
Основной недостаток генератора Маркса состоит в том, что при уровне зарядного напряжения порядка (50-100)-103 В он должен содержать 5-8 ступеней с таким же количеством искровых коммутаторов, что связано с ухудшением удельных энергетических и массо-габаритных параметров и снижением КПД. В режиме разряда генератора Маркса потери складываются из потерь в конденсаторах и искровых промежутках и сопротивления нагрузки, например канала разряда в главном разрядном промежутке. Для уменьшения потерь стремяться снижать сопротивления искровых коммутаторов ГИН, например, помещением их в электрически прочный газ под давлением, применяют конденсаторы с повышенной добротностью, оптимизируют инициирование пробоя для достижения минимальных пробивных градиентов и т.п.
Применение
Генератор импульсов высокого напряжения (генератор импульсного напряжения, ГИН) Маркса используется в разнообразных исследованиях в науке, а также для решения разнообразных задач в технике. В некоторых установках генераторы Маркса работают и в качестве генераторов импульсного тока (ГИТ).
В некоторых установках объединяют два генератора Маркса в единую установку в которой многоступенчатый ГИН с конденсаторами небольшой общей ёмкостью обеспечивает высокий потенциал напряжения, необходимый для развития разряда основного малоступенчатого ГИТ с конденсаторами большой общей ёмкости, со сравнительно невысоким потенциалом, но большой силой тока в продолжительном импульсе.
Например, генераторы Маркса применяются (начальное историческое применение) в ядерных и термоядерных исследованиях для ускорения различных элементарных частиц, создания ионных пучков, создания релятивистских электронных пучков для инициирования термоядерных реакций.
Генераторы Маркса применяются в качестве мощных источников накачки квантовых генераторов, для исследований состояний плазмы, для исследований импульсных электромагнитных излучений.
В военной технике генераторы Маркса в комплексе с, например, виркаторами в качестве генераторов излучения применяются для создания портативных средств радиоэлектронной борьбы, в качестве электромагнитного оружия, действие которого основано на поражении целей радиочастотным электромагнитным излучением (РЧЭМИ).
Известно применение генераторов Маркса в качестве источников энергии рельсотронов и гауссовских пушек, рассматриваемых как перспективные артиллерийские системы.
Миниатюризованные генераторы Маркса считаются перспективными для использования в современных моделях электрошокового оружия, как мобильного (например тетанайзера установленного на колёсном транспорте), так и ручного, носимого человеком постоянно.
В общепромышленной технике генераторы Маркса наряду с другими источниками импульсных напряжений и токов применяются в технике электрогидравлической обработки материалов, дроблении, бурении, уплотнении грунтов и бетонных смесей.
История
Генератор импульсов высокого напряжения изобретён Эрвином Марксом в 1924.
В настоящее время существует международная премия им. Эрвина Маркса.
В отечественных источниках генератор Маркса часто называют генератором Аркадьева-Маркса, или генератором Маркса-Аркадьева. В некоторых отечественных источниках генератор Маркса называется генератором Аркадьева-Баклина-Маркса.
Такое название возникло в связи с тем, что в 1914, году В.К. Аркадьев совместно с Н.В. Баклиным построили так называемый «генератор молний», который являлся первым импульсным генератором в России, работавшем на принципе последовательного соединения конденсаторов для получения умноженного напряжения.
Генератор Аркадьева-Баклина принципиально напоминал работу генератора Маркса, но в отличие от него использовал контактно-механический способ соединения конденсаторов ступеней, а не бесконтактный (переносом зарядов в газе или вакууме) как в генераторе Маркса.
Генератор Кокрофта — Уолтона умножитель напряжения Кокрофта-Уолсона использовался в первых ускорителях элементарных частиц, которые использовались при разработке атомной бомбы. Данный умножитель, построенный в 1937 г. компанией Philips, в настоящее время расположен в Национальном музее науки в Лондоне (Великобритания).
Генератор Кокрофта-Уолтона, или умножитель, был назван в честь двух физиков, которые построили первый генератор в 1932 и использовали его в системе подачи энергии в свой ускоритель частиц, выполняя первый в мире эксперимент по искусственному расщеплению атомных ядер. Джон Кокрофт и Эрнст Уолтон использовали этот каскадный умножитель напряжения в исследованиях за которые получили Нобелевскую премию 1951 года; официальная формулировка: за «Трансмутацию атомных ядер с помощью искуственно ускоренных атомных частиц». Менее известно, что принципиальная схема умножителя данного типа была разработана в1919, швейцарским физиком Генрихом Грейнахером. По этой причине каскадный удвоитель данного типа иногда называют умножителем Грейнахера.
Устройство
Простой умножитель Кокрофта-Уолтона из двух секций
Двухполупериодный умножитель Кокрофта-Уолтона
Генератор Кокрофта-Уолтона — умножитель напряжения преобразующий переменный ток или пульсирующий постоянный ток низкогонапряжения в постоянный ток высокого напряжения. Генератор строится из лестницы конденсаторов и диодов. В отличие оттрансформатора такой метод не требует тяжёлого сердечника и серьезной изоляции, так как напряжение на каждой ступени увеличивается не более чем в два раза. Используя только конденсаторы и диоды генераторы такого типа могут переводить относительно низкое напряжение в очень высокое, при этом оказываясь много легче и дешевле по сравнению с трансформаторами. Ещё одним преимуществом является возможность снять напряжение с любой ступени схемы, также как в многоотводном трансформаторе.
Несмотря на свои теоретические недостатки и ограничения, умножитель напряжения стал такой же классикой в электронной схемотехнике для получения высокого постоянного напряжения как и двухполупериодный выпрямитель (диодный мост) для получения постоянного тока из переменного. На схемах электрических принципиальных его даже не рисуют подробно, а изображают в виде специального значка. Промышленность выпускает очень широкий ассортимент модульных «умножителей напряжения» с заранее заданными параметрами. Однако в советской (российской) технической литературе вы почти никогда не найдете упоминание имен изобретателей этого малогабаритного, простого и надежного устройства, без которого не обходятся большинство устройств с ЭЛТ: монитор, телевизор, экран радара илиосциллографа.
Технические характеристики
На практике умножитель Кокрофта-Уолтона имеет ряд недостатков. Если в умножитель добавляется слишком много секций, напряжение в последних секциях будет ниже ожидаемого, в основном из-за
ненулевого импенданса конденсаторов в нижних секциях. Пульсация выпрямленного тока также усиливается, что может быть помехой в некоторых приложениях. Обычно система питания строится на основе трансформатора для генерации относительно низкого напряжения и, далее, генераторе Кокрофта-Уолтона — для высокого напряжения.
Умножители Кокрофта-Уолтона могут создавать напряжения от нескольких вольт до миллионов вольт.
Использование
Генераторы Кокрофта-Уолтона применяются во многих областях техники, в частности, в лазерных системах, в источниках высокого напряжения, в системах рентгеновского излучения, подсветке жидкокристаллических экранов, лампах бегущей волны, ионных насосах, электростатических системах, ионизаторах воздуха, ускорителях частиц, копировальных аппаратах, осциллографах, телевизорах и во многих других устройствах, где необходимо одновременно высокое напряжение и постоянный ток.
Динамо-машина Йедлика В 1827 венгр Аньош Иштван Йедлик начал экспериментировать с электромагнитными вращающимися устройствами, которые он называл электромагнитные самовращающиеся роторы. В прототипе его униполярного электродвигателя (был завершен между 1852 и 1854) и стационарная и вращающаяся части былиэлектромагнитные. Он сформулировал концепцию динамо-машины по меньшей мере за 6 лет до Сименса и Уитстона, но не запатентовал изобретение, потому что думал, что он не первый, кто это сделал. Суть его идеи состояла в использовании вместо постоянных магнитов двух противоположно расположенных электромагнитов, которые создавали магнитное поле вокруг ротора. Изобретение Йедлика на десятилетия опередило его время.
Диск Фарадея
В 1831—1832 Майкл Фарадей открыл принцип работы электромагнитных генераторов. Принцип, позднее названный законом Фарадея, заключался в том, что разница потенциалов образовывалась между концами проводника, который двигался перпендикулярно магнитному полю. Он также построил первый электромагнитный генератор, названный «диском Фарадея», который являлся униполярным генератором, использовавшим медный диск, вращающийся между полюсами подковообразного магнита. Он вырабатывал небольшое постоянное напряжение и сильный ток.
Конструкция была несовершенна, потому что ток самозамыкался через участки диска, не находившиеся в магнитном поле. Паразитный ток ограничивал мощность, снимаемую с контактных проводов и вызывал бесполезный нагрев медного диска. Позднее в униполярный генераторах удалось решить эту проблему, расположив вокруг диска множество маленьких, распределенных по всему периметру диска, чтобы создать равномерное поле и ток только в одном направлении.
Другой недостаток состоял в том, что выходное напряжение было очень маленьким, потому что образовывался только один виток вокруг магнитного потока. Эксперименты показали, что используя много витков провода в катушке можно получить часто требовавшееся более высокое напряжение. Обмотки из проводов стали основной характерной чертой всех последующих разработок генераторов.
Однако, последние достижения (редкоземельные магниты), сделали возможными униполярные двигатели с магнитом на роторе, и должны внести много усовершенствований в старые конструкции.
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. Первая динамо-машина была построена Hipp-lyte Pixii в 1832.
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.
Динамо-машина состоит из статора, который создает постоянное магнитное поле, и набора вращающихся 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.
Другие электрические генераторы, использующие вращение
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.
МГД генератор
Магнитогидродинамический генератор напрямую вырабатывает электроэнергию из энергии движущейся через магнитное поле плазмы без использования вращающихся частей. Разработка генераторов этого типа началась потому, что на выходе его высокотемпературные продукты сгорания, которые можно использовать для нагрева пара в парогазовых электростанциях и таким образом, повысить общий КПД.
Классификация
Электромеханические
- Индукционные
- Электрофорная машина
- Термоэлектрические
- Термопары
- Термоионные генераторы
- Фотоэлементы
- Магнитогидро(газо)динамические генераторы
- Химические источники тока
- Гальванические элементы
- Топливные элементы
- Биогенераторы
Электромеханические индукционные генераторы
На сегодняшний день наиболее распространённым типом является индукционный электромеханический генератор. Абсолютное большинство тепловых, гидравлических, ветряных, атомных, приливных, геотермальных электростанций, а так же некоторые солнечные используют этот тип генератора.
Электромеханический генера́тор — это электрическая машина, в которой механическая работа преобразуется в электрическую энергию.
— устанавливает связь между ЭДС и скоростью изменения магнитного потока пронизывающего обмотку генератора.
Классификация электромеханических генераторов
- По типу первичного двигателя:
- Турбогенератор — электрический генератор, приводимый в движение паровой турбиной или газотурбинным двигателем;
- Гидрогенератор — электрический генератор, приводимый в движение гидравлической турбиной;
- Дизель-генератор — электрический генератор, приводимый в движение дизельным двигателем;
- Газотурбинный генератор - электрический генератор, приводимый в движение газотурбинным двигателем;
- Паро-генератор — электрический генератор, приводимый в движение паровой турбиной;
- Ветро-генератор - электрический генератор, преобразующий в электричество кинетическую энергию ветра;
- По виду выходного электрического тока
- Генератор постоянного тока
- Коллекторные генераторы
- Вентильные генераторы
- Генератор переменного тока
- Однофазный генератор
- Бесщёточный синхронный генератор
- Трёхфазный генератор
- С включением обмоток звездой
- С включением обмоток треугольником
- По способу возбуждения
- С возбуждением постоянными магнитами
- С внешним возбуждением
- С самовозбуждением
- С последовательным возбуждением
- С параллельным возбуждением
- Со смешанным возбуждением