Генератор

Генера́тор — устройство, предназначенное для преобразования неэлектрических видов энергии (механической, химической, тепловой, световой) в электрическую. В узком (техническом) смысле под генератором чаще всего понимают электромеханический генератор, работающий на основе принципа электромагнитной индукции.

История создания

1831 год — английский физик Майкл Фарадей открыл явление электромагнитной индукции и создал первый прототип — «диск Фарадея» (устройство постоянного тока).
1832 год — братья Пикси (Франция) построили первый генератор переменного тока с ручным приводом, использовавший постоянный магнит.
1866 год — Вернер фон Сименс запатентовал конструкцию мощного генератора (динамо-машины), где постоянные магниты были заменены электромагнитами, питающимися от самого генератора (принцип самовозбуждения).

Принцип работы

Работа классического генератора основана на законе электромагнитной индукции Фарадея.

При вращении ротора (подвижной части) в магнитном поле статора (неподвижной части) изменяется магнитный поток, пронизывающий обмотки.
Согласно закону индукции, в проводнике возникает электродвижущая сила (ЭДС).
При подключении к обмоткам внешней нагрузки в цепи начинает протекать электрический ток.

Классификация

По типу выходного тока

Генераторы переменного тока:
- Синхронные — частота вращения ротора совпадает с частотой индуцируемого тока. Используются на крупных электростанциях.
- Асинхронные — частота вращения ротора немного отличается от частоты тока. Чаще применяются в ветроэнергетике или как мобильные источники питания.
Генераторы постоянного тока:
- Используют коллекторно-щеточный узел для выпрямления переменного тока, возникающего в обмотках. Сегодня практически вытеснены альтернаторами с полупроводниковыми выпрямителями.

По источнику первичной энергии

Турбогенераторы — приводятся в движение паровыми или газовыми турбинами (ТЭЦ, АЭС). Обладают высокой частотой вращения.
Гидрогенераторы — приводятся в движение водяными турбинами (ГЭС). Как правило, тихоходные и имеют большой диаметр.
Дизельные и бензиновые генераторы — используют двигатели внутреннего сгорания. Применяются в качестве резервных или аварийных источников питания.
Ветрогенераторы — преобразуют кинетическую энергию ветра.

Схемы энергетических установок со вспомогательными дизель-генераторами(вверху) и с главными дизель-генераторами(внизу)

Судовые генераторы

Судовой генера́тор — элемент судовой электростанции, предназначенный для обеспечения электроэнергией всех систем судна, его механизмов, навигационного оборудования и бытовых нужд экипажа в различных режимах плавания (ходовом, стояночном, аварийном). Из-за специфики эксплуатации на морских и речных судах к ним предъявляются повышенные требования надёжности.

Судовой генератор и дизель-генератор

В разговорной речи эти термины часто используют как синонимы, однако с технической точки зрения между ними есть принципиальная разница. Понятие «дизель-генератор» классифицирует устройство по типу двигателя (источнику энергии), а «судовой генератор» — по месту и условиям эксплуатации.

Критерий	Дизель-генератор (ДГ)	Судовой генератор
Определяющий фактор	Тип приводного двигателя (дизельный ДВС).	Место работы (морское или речное судно).
Область применения	Строительные площадки, больницы, дата-центры, жилые дома, а также в составе судовых электростанций.	Исключительно плавсредства: суда, корабли, буровые платформы, плавучие доки.
Исполнение	Промышленное или бытовое сухопутное исполнение.	Особое «морское» исполнение: защита от коррозии, влаги, наклонов при качке и повышенных вибраций.

Судовой генератор — это не всегда дизель-генератор.

На судах могут применяться генераторы без собственного дизельного двигателя: например, валогенераторы (работают от главного двигателя) или турбогенераторы (работают от паровых/газовых турбин на атомоходах или крупных танкерах).

Дизель-генератор — это не всегда судовой генератор.

Подавляющее большинство дизель-генераторов в мире являются наземными. Использовать обычный наземный генератор на судне запрещено, так как он не сертифицирован классификационными обществами (Морским или Речным регистром) и быстро выйдет из строя под воздействием солёного тумана и качки.

Особенности конструкции

Повышенная вибростойкость и прочность — конструкция проектируется с учётом постоянной вибрации от главного двигателя, ударов волн и возможной качки.
Влагозащищённость и коррозионная стойкость — обмотки и металлические детали покрываются специальными лаками и эмалями для защиты от агрессивной морской среды (солёный туман, высокая влажность).
Специальное исполнение подшипников — рассчитано на работу при длительных наклонах судна (крене до 15° и дифференте до 5°, а также при бортовой качке до 22,5°).
Система охлаждения — часто используются замкнутые системы охлаждения с водо-водяными или водо-воздушными теплообменниками, где тепло отводится забортной водой.

Классификация судовых генераторов

Основной (ходовой) генератор — работает во время движения судна. Может приводиться в действие отдельным дизелем (судовой дизель-генератор, СДГ) или отбирать мощность напрямую от главного вала.
Стояночный генератор — обладает меньшей мощностью, используется во время стоянки судна в порту, когда главные двигатели заглушены, а потребление энергии снижено.
Аварийный генератор — автономный источник питания (обычно дизельный), расположенный выше палубы переборок (вне зоны возможного затопления). Запускается автоматически при полном обесточивании судна для питания критически важных систем: рулевого устройства, навигации, аварийного освещения и водоотливных насосов.

Регулирование и автоматизация

Современные судовые генераторы работают в составе автоматизированных систем управления электростанцией (СУ ЭЭС). Они обеспечивают автоматический пуск, точную синхронизацию для параллельной работы нескольких генераторов на общую сеть, а также распределение активной и реактивной нагрузки между ними.

Валогенераторы

Валогенера́тор — судовой генератор, привод которого осуществляется от валопровода главного двигателя судна (через повышающий редуктор или напрямую). В отличие от автономных дизель-генераторов, валогенератор использует механическую энергию основной пропульсивной установки для выработки электроэнергии во время ходового режима судна.

Экономическая эффективность

Использование валогенераторов позволяет существенно снизить эксплуатационные расходы судна за счёт следующих факторов:

Экономия на стоимости топлива — главные судовые двигатели (особенно малооборотные двухтактные) работают на более дешёвых, тяжёлых сортах топлива (например, мазуте), тогда как вспомогательные дизель-генераторы чаще требуют более дорогого маловязкого судового топлива.
Более высокий КПД — крупный главный двигатель имеет более высокий термодинамический КПД по сравнению с меньшими по размеру вспомогательными дизелями.
Сбережение моторесурса — во время ходового производства вспомогательные дизель-генераторы могут быть полностью остановлены, что увеличивает их межремонтный период и снижает затраты на техническое обслуживание и моторные масла.
Сокращение вредных выбросов — за счёт снижения общего потребления топлива уменьшаются выбросы вредных примесей.

Технические проблемы и их решение

Главная сложность эксплуатации валогенератора заключается в том, что частота вращения гребного вала постоянно меняется в зависимости от погодных условий, маневрирования судна или изменения шага винта. Для поддержания стабильной частоты тока (50 Гц или 60 Гц) в судовой сети применяются следующие технические решения:

Винты регулируемого шага (ВРШ) — позволяют главному двигателю работать с постоянной частотой вращения, а скорость судна регулируется изменением угла атаки лопастей винта. Это самое простое решение, позволяющее подключать генератор напрямую через редуктор.
Статические преобразователи частоты — современный и наиболее гибкий метод. Валогенератор выдаёт ток переменной частоты и напряжения, который сначала выпрямляется в постоянный ток, а затем с помощью мощного инвертора преобразуется в переменный ток со строго стабильными параметрами сети. Это позволяет использовать валогенератор даже на судах с винтами фиксированного шага (ВФШ) в широком диапазоне оборотов двигателя.
Гидромеханические передачи — использование систем с регулируемым гидроприводом, поддерживающих постоянные обороты ротора генератора при изменяющихся оборотах вала.

Режим электромотора (PTI / PTO)

Современные валогенераторные комплексы часто строятся по принципу обратимых электрических машин. Они поддерживают два основных режима:

PTO (Power Take-Off — отбор мощности): стандартный режим, при котором главный двигатель вращает винт и генерирует электричество для нужд судна.
PTI (Power Take-In — приём мощности / «Take-Me-Home»): режим, в котором валогенератор временно работает как электродвигатель, питающийся от вспомогательных дизель-генераторов. Этот режим используется как аварийный (для возвращения в порт при поломке главного двигателя) или как бустерный (для кратковременного увеличения тактической скорости судна).

Основные характеристики

Номинальная мощность (измеряется в ваттах, кВт или вольт-амперах, кВА).
Выходное напряжение (например, 220 В, 380 В для бытовых или десятки киловольт для промышленных).
Частота тока (в большинстве стран мира — 50 Гц, в США и Японии — 60 Гц).
Коэффициент полезного действия (КПД) — у современных мощных машин достигает 95–98%.

См. также

Литература

Вольдек А. И. Электрические машины. — Л.: Энергия, 1978. Костенко М. П., Пиотровский Л. М. Электрические машины. В 2-х ч. — Л.: Энергия, 1973.