Меню Закрыть

Конструкция генератора: Общее устройство генератора

Содержание

Общее устройство генератора

Генератор переменного тока это элемент автомобиля, предназначенный для произведения электрической энергии путем преобразования механической энергии (вращение коленчатого вала) в электрическую энергию. Генераторы могут генерировать постоянный или переменный ток.

Генератор автомобиля используется, как источник питания для следующих электропотребителей: система зажигания, приборы освещения, бортовой компьютер, системы диагностики. Также генератор обеспечивает подзарядку аккумуляторной батареи (АКБ) во время движения автомобиля.

На сегодняшний день чаще всего используются генераторы переменного тока, которые хорошо себя зарекомендовали.

Как работает генератор?

Чтобы ответить на вопрос, — как работает генератор? — мы рассмотрим Принцип работы генератора.

Основа работы генератора заключается в использовании электродвижущей силы (ЭДС), которая образуется в прямоугольном контуре, вращающемся в однородном вращающемся магнитном поле.

Устройство простейшего генератора

Простейший генератор представляет собой обыкновенную прямоугольную рамку, которая размещена между магнитами с разными полюсами. Для снятия напряжения с вращающейся рамки используют токосъемные кольца.

В автомобилестроение используют электромагниты – катушки индуктивности или обмотки медного провода. При прохождении электрического тока через обмотку, последняя насыщается электромагнитными свойствами. Для возбуждения обмотки используется аккумуляторная батарея.

Устройство автомобильного генератора переменного тока

Автомобильный генератор состоит из корпуса с крышками, в которых имеются отверстия для вентиляции. Ротор устанавливается в подшипниках 2 и вращается в них. Привод ротора осуществляется путем ременной передачи (ремень одевается на шкив). Ротор выступает электромагнитом (обмоткой). Ток на обмотку поступает с помощью двух медных колец и графитных щеток, которые соединены с электронным регулятором. Электронный реле регулятор отвечает за напряжение на выходе, которое должно находиться в пределах 12 Вольт вне зависимости от частоты вращения шкива привода генератора. Реле регулятор может встраиваться в корпус, а может находиться отдельно.

Статор – представляет собой три медные обмотки, которые соединяются в треугольник. К точкам соединения обмоток подключается выпрямительный мост, который состоит из 6 полупроводниковых диодов, которые служат для преобразования переменного напряжения в постоянное.


Генера́тор (с латыни generator означает «производитель») — устройство, что вырабатывает электроэнергию, производит продукты или преобразует один вид энергии в другой.

Автомобильный генератор — устройство, которое преобразует механическую энергию вращения коленчатого вала двигателя автомобиля в электрическую.

Автомобильный генератор применяется для питания потребителей электроэнергии, таких как система зажигания, приборы освещения, бортовой компьютер автомобиля, системы диагностики, а также для зарядки аккумуляторной батареи (АКБ).

От надежности работы генератора зависит бесперебойность работы остальных систем автомобиля и других его компонентов. Мощность современного автомобильного генератора составляет 1 кВт.

Принцип работы автомобильного генератора

Первые автомобильные генераторы были

генераторы постоянного тока. Они требовали много внимания к себе, что обуславливалось частым обслуживанием и контролем работы устройства.

Затем был придуманы диодные выпрямители, что значительно увеличило ресурс работы генератора и увеличило срок его работы. Генераторы с диодными выпрямителями тока стали называться генераторами переменного тока. На производство генератора переменного тока уходило меньше материалов, соответственно он стал легче и значительно меньше, а КПД вырос, обеспечивая более стабильный ток на выходе.

В современных иномарках используют синхронные трехфазные генераторы переменного тока, а в качестве выпрямителя –

трехфазный выпрямитель Ларионова.

От поворота ключа до выдачи напряжения…

Во время поворота ключа замка зажигания в рабочее положение питание подается на обмотку возбуждения и генератор начинает отдавать ток в нагрузку. За управление током в обмотке возбуждения отвечает стабилизатор напряжения, который входит в щеточный узел генератора. Питание стабилизатора напряжения осуществляется от выпрямителя.

Ротор генератора приводится во вращение от коленчатого вала через шкив посредством клинового ремня. В обмотке возбуждения создается электромагнитное поле, которое индуцирует электрический ток в фазовых обмотках статора.

Выдаваемый ток – скачкообразный и зависит от частоты вращения коленчатого вала двигателя, поэтому для его стабилизации применяется стабилизатор напряжения.

Напряжение бортовой сети в работающей системе должно находится в пределах 13,8-14,2 В, что обеспечит нормальную подзарядку АКБ.

На крупногабаритных автомобилях используются автомобильные генераторы повышенной мощности 24 В.

Автомобильный генератор – устройство и принцип работы генератора двигателя автомобиля

к списку всех статей
22.08.2014


Автомобильный генератор
– это источник электроэнергии и неотъемлемая часть устройства автомобиля. Принцип действия электрогенератора состоит в преобразовании механической энергии в электрическую. Генератор автомобиля является основной частью генераторной установки, которая также включает в себя регулятор напряжения.
Исправные автогенераторы осуществляют бесперебойную подачу тока, который необходим для работы большинства автомобильных компонентов-электропотребителей: системы зажигания, бортового компьютера и других. Одновременно с этим автомобильный генератор поддерживает заряд аккумуляторной батареи. Состояние и мощность генератора напрямую влияют на надежность автомобиля и его и эксплуатационные характеристики.

Устройство и принцип работы генератора
Автомобильный генератор работает по принципу преобразования механической энергии в электрическую: вращение коленчатого вала двигателя генератор преобразует в электрический ток.Это происходит благодаря явлению электромагнитной индукции, т.е. возникновению переменного электрического напряжения при изменении магнитного потока, протекающего сквозь замкнутый контур. В случае с автогенератором таким контуром выступает статор с медной обмоткой, внутри которого вращается ротор, представляющий собой магнит или совокупность магнитов.

Таким образом, основные элементы автогенератора – это статор, ротор и регулятор напряжения. В конструкции также присутствуют корпус из двух крышек, шкив для передачи энергии от двигателя посредством ремня генератора, диоды-выпрямители для преобразования переменного тока в постоянный,щеточный узел и другие вспомогательные элементы.
Статор -статичный элемент генератора, состоящий из замкнутого железного магнитопровода с пазами, внутри которых находится медная обмотка. Именно эта обмотка накапливает мощность автогенератора при вращении ротора.Ротор же представляет собой стальной вал с обмоткой возбуждения, в которой образуется магнитный поток, и двумя стальными втулками, которые подводят поток к обмотке статора.
При повороте ключа в замке зажигания к обмотке возбуждения подводится ток, который обеспечивает первоначальное возбуждение и приводит к образованию электромагнитного поля.Ротор вращается, получив привод от коленчатого вала двигателя с помощью ремня генератора, вращающего шкив. При вращении ротора магнитный поток в катушке попеременно меняет свое направление, так как напротив катушек оказываются то южный, то северный полюсы ротора. Вследствие этого внутри катушки возникает переменное напряжение, частота которого напрямую зависит от частоты вращения ротора и количества пар полюсов. Переменное напряжение с помощью выпрямителя преобразуется в постоянное, которое и подается к бортовой сети автомобиля.

Рекомендации по эксплуатации автогенератора

1. Устанавливая в свой автомобиль АКБ, или запуская двигатель от другого источника, убедитесь в том, что соблюдаете правильную полярность. В противном случае выйдет из строя выпрямитель автогенератора и возникнет угроза возгорания.
2. Необходимо отслеживать состояние электропроводки и состоянием контактов проводов, которые подходят к генератору автомобиля и регулятору напряжения. Слабый контакт может привести к образованию избыточного напряжения.
3. Стоит также следить за состоянием ремня генератора, так как в случае слабого натяжения генератор работает менее эффективно, в случае слишком тугого натяжения возможно разрушение подшипников.
4. Рекомендуем доверить установку генератора профессионалам из СТО во избежание возникновения непредвиденных проблем

Не упускайте важные события

к списку всех статей

Устройство, принцип действия и конструкция синхронного генератора, режимы работы

Синхронным генератором (СГ) называют устройство, выполняющее функцию трансформации механической энергии в электрическую. Принцип работы и устройство синхронного генератора достаточно просты и надежны. Такое энергетическое оборудование востребовано для использования в мобильных авторемонтных мастерских, для ремонта и обслуживания станков-качалок, спецмашин нефтегазовой отрасли, на ГЭС, ТЭС, АЭС, в транспортных системах.

Основные конструктивные элементы

Основные части синхронного генератора: неподвижная — статор, вращающаяся — ротор, представляющая собой электромагнит, и две основные обмотки.
  1. Одна обмотка статора («обмотка возбуждения») запитывается от источника постоянного тока, функцию которого выполняет электронный регулятор напряжения. Регулятор используется в генераторах с самовозбуждением. Принцип самовозбуждения основан на том, что первоначальное возбуждение осуществляется с использованием остаточного магнетизма магнитопровода СГ. При этом энергия переменного тока поступает от обмотки статора СГ. Комплекс из понижающего трансформатора и полупроводникового выпрямителя-преобразователя трансформирует ее в энергию постоянного тока.
  2. Ток, протекающий в обмотке возбуждения статора, наводит ЭДС на обмотке возбуждения якоря генератора. Статор возбудителя, как конструкционный элемент может отсутствовать, и тогда его функции выполняют постоянные магниты.
  3. Обмотка ротора, в которой индуцируется ЭДС, называется обмоткой возбуждения якоря, или якорем возбудителя.
  4. Переменное напряжение, возникающее на обмотке якоря возбудителя, выпрямляется в блоке вращающихся диодов, которые так же называются словосочетанием «диодный мост», и превращает силовую обмотку ротора во вращающийся электромагнит, который наводит ЭДС в силовой обмотке статора СГ.
  5. Силовые обмотки и обмотки возбуждения монтируются в пазы якоря и ротора.
  6. Генераторы по типу выходного напряжения делятся на одно-, или трехфазные. Основное распространение в промышленности имеют трехфазные синхронные генераторы, а в быту — однофазные.

В конструкцию статора входит корпус, внутри которого расположен сердечник, или пакет, собираемый из листов электротехнической стали особой формы. На качество электрического тока влияют такие факторы как: цельность листов в пакете (бывают цельными или составными), качество и материал обмотки. Для обмотки применяется медный эмаль-провод, а в дешевых устройствах возможна замена меди на алюминий.

Роторы изготавливаются явнополюсными или неявнополюсными.

  • Явнополюсные роторы предназначены для синхронных генераторов, работающих с двигателями внутреннего сгорания с низкой частотой вращения — 1500 и 3000 об/мин.
  • Неявнополюсные роторы востребованы в высокоскоростных (более 3000 об/мин) механизмах переменного электрического тока высокой мощности. Обычно их размещают на одном валу с паровыми турбинами. Такие СГ называют «турбогенераторы».

Определение скорости вращения

Понятие «синхронный» означает, что число оборотов находится в прямой математической зависимости от частоты тока. Эта зависимость определяется по формуле n = 60*f/p, где:

  • n — скорость вращения, об/мин;
  • f — частота, в бытовой электрической сети она равна 50 Гц;
  • p — количество пар полюсов.

Принцип работы СГ

Принцип действия машины в режиме синхронного генератора:

  1. При пропускании через обмотку возбуждения постоянного тока образуется стабильное во времени магнитное поле с чередующейся полярностью.
  2. При вращении магнитного поля относительно проводников обмотки якоря возбуждаются переменные ЭДС.
  3. Переменные ЭДС суммируются, образуя ЭДС фаз. Трехфазная система образуется тремя одинаковыми обмотками, размещаемыми на якоре под электрическим углом друг к другу, равным 120°.

В случаях, если централизованное электроснабжение имеет недостаточную мощность или отсутствует, как, например, на удаленных стройплощадках, нефтегазодобывающих объектах, морских и воздушных судах, СГ в составе с двигателем внутреннего сгорания функционируют в автономном режиме. При необходимости создания мощных источников питания синхронные двигатели включают на параллельную работу. Такой способ включения позволяет более полно использовать мощность каждой машины и при необходимости выводить отдельные СГ в ремонт без прекращения эффективного электроснабжения потребителей.

Второй режим работы синхронной машины — выполнение функций электродвигателя. Обычно СГ востребован в качестве двигателя в высокомощных установках более 50 кВт. Для работы в режиме электродвигателя обмотку статора подключают к электросети, а обмотку ротора — к источнику постоянного тока. Вращающий момент возникает при взаимодействии вращающегося магнитного поля СГ с постоянным током обмотки возбуждения.

Электрогенератор: предназначение, устройство, принцип действия

Электрогенератор: предназначение, устройство, принцип действия

Основным предназначением автомобильного электрогенератора является подзарядка аккумулятора и питания бортовой системы автомобиля. Учитывая конструктивные особенности, можно выделить два типа генераторов: генераторы традиционной и компактной конструкции.

Генератор, в основе работы которого находится магнитная индукция, предназначен для обеспечения электрическим током потребителей, включенных в систему электрооборудования, а также для зарядки аккумулятора при включенном двигателе автомобиля. Генератор должен иметь соответствующие выходные параметры, чтобы, независимо от режима движения автомобиля, не происходил разряд аккумулятора. Кроме этого, генератор должен обеспечивать стабильное напряжение в бортовой сети автомобиля. Принцип работы генератора, а также конструкция этого механизма приблизительно одинаковы для любого автомобильного генератора, несмотря на то, где и кем он выпущен.


Устройство генератора

Основу работы генератора составляет эффект электромагнитной индукции. Генератор состоит из корпуса, статорной обмотки, ротора, реле-регулятора и выпрямительного моста.

Корпус генератора выступает в качестве основания для статорной обмотки. Обычно производится из легкосплавных металлов, например, из дюралюминия. Для охлаждения во время работы в корпусе предусмотрены специальные «окна». Сзади и спереди корпуса имеются подшипники, на которых крепится ротор. Статорная обмотка производится из медного провода и укладывается в пазах сердечника.

Ротор представляет собой некий электромагнит, который имеет одну обмотку, расположенную на валу ротора. Сверху обмотки находится сердечник, выполненный из ферромагнитного металла.

Реле-регулятор осуществляет функцию контроля и регулирования напряжения на выходе из генератора. Выпрямительный мост с шестью диодами выдает прямой ток более 40 ампер. Диоды, расположенные попарно на плюсовом и минусовом токопроводящих основаниях, соединяются по схеме Ларионова.

  1. передняя крышка;
  2. обмотка статора;
  3. обмотка возбуждения;
  4. задняя крышка;
  5. щеточный узел;
  6. контактные кольца;
  7. выпрямительный блок;
  8. полюсные половины;
  9. крыльчатка вентилятора;
  10. приводной шкив

Конструктивные особенности

Учитывая конструктивное исполнение, можно выделить два типа генераторов: традиционные и компактные. Генераторы традиционной конструкции имеют вентилятор, расположенный у приводного шкива. Вентиляционные окна находятся только в торцевой части.

Генераторы компактной конструкции имеют два вентилятора, расположенные внутри полости генератора. Компактные генераторы часто называют высокоскоростными, так как они оснащены приводом, имеющим повышенное передаточное отношение.


Принцип работы генератора

Работа автомобильного генератора основывается на принципе появления переменного электрического напряжения в обмотке статора, возникающего в результате воздействия постоянного магнитного поля, образующегося вокруг сердечника.

Ротор приводится в действие двигателем через ременную передачу. На обмотку ротора производится подача постоянного электрического напряжения, достаточного для возникновения магнитного потока. Силу магнитного потока регулирует реле-регулятор. Напряжение на выходе генератора находится в пределах между 13,6 вольт летом и 14,2 вольт зимой. Этого напряжения достаточно для того, чтобы аккумулятор находился в нормальном рабочем состоянии, и периодически производилась его подзарядка. Питание бортовой сети, включенной параллельно аккумулятору, происходит от клемм генератора.


Правила эксплуатации генераторов

Среди основных правил можно выделить следующие:

— При эксплуатации генератора важно, чтобы «минус» АКБ всегда подключался к корпусу, а плюс — к плюсу генератора.
— Во время эксплуатации генератора его нельзя отсоединять от АКБ, так как это может привести к неисправностям в бортовой сети машины.
— Нельзя проверять генератор с использованием искры, присоединяя плюс генератора к корпусу. Из-за этого выходят из строя диоды. Для осуществления проверки генератора используют амперметр или вольтметр.
— Если производится ремонт генератора, не стоит проверять сопротивление изоляции обмотки статора высоким напряжением тока. Подобные действия могут осуществляться только на специальном стенде при условии отсоединения диодов выпрямителя.
— Если производится проверка электропроводки автомобиля, генератор необходимо отсоединить.
— При проведении кузовного ремонта автомобиля, особенно с осуществлением сварочных работ, генератор обязательно отсоединяют.

Важно придерживаться всех вышеперечисленных правил, так как их несоблюдение часто приводит к неисправностям генератора.

Другие статьи

#Бачок ГЦС

Бачок ГЦС: надежная работа гидропривода сцепления

14.10.2020 | Статьи о запасных частях

Многие современные автомобили, особенно грузовые, оснащаются гидравлическим приводом выключения сцепления. Достаточный запас жидкости для работы главного цилиндра сцепления хранится в специальном бачке. Все о бачках ГЦС, их типах и конструкции, а также о выборе и замене этих деталей читайте в статье.

Устройство и работа генераторов переменного тока.


Устройство и работа генератора переменного тока




Генератор автомобилей ВАЗ

Конструкция генератора 37.3701 переменного тока, устанавливаемого на многих автомобилях марки ВАЗ (-2105, -2106, -2108, -2109 и др.), представлена на рис. 1.

Подвижное магнитное поле создается вращающимся двенадцатиполюсным магнитом – ротором (рис. 2, а), который представляет собой стержень с надетыми на него стальными звездочками, каждая из которых имеет по шесть клювообразных полюсов.
В полости между звездочками ротора на стальном кольце размещена обмотка возбуждения, напряжение к которой подводится через медно-графитовые щетки и два изолированных контактных кольца, напрессованных на вал ротора.
Концы обмотки возбуждения выведены через отверстия и подсоединены к контактным кольцам.

На контактные кольца опираются медно-графитовые щетки, размещенные в щеткодержателях, расположенных в задней крышке генератора со стороны, противоположной приводу. Одна из щеток присоединена к корпусу генератора, а вторая – к изолированной клемме, к которой через регулятор напряжения подводится ток возбуждения от аккумуляторной батареи.
Регулятор напряжения встроен в шеткодержатель, образуя вместе с ним единый съемный блок.

Магнитное поле намагничивает клювообразные полюсы ротора, имеющие разную полярность. Ротор, вращаясь внутри цилиндрического статора, индуцирует ЭДС в фазных обмотках, навитых на набранном сердечнике статора.

Статор генератора (рис. 2, б) состоит из сердечника, представляющего собой набор изолированных друг от друга листов магнитопроводящей мягкой электротехнической стали. Внутренняя поверхность сердечника статора имеет равномерно расположенные по окружности зубцы с пазами между ними. Число пазов кратно трем.
В пазах между зубцами укладываются витки катушек обмотки статора. Для изоляции катушек от сердечника используется электротехнический картон. Статор в сборе пропитывается изоляционным лаком.
Каждая из трех фаз обмотки статора содержит одинаковое число последовательно соединенных катушек, число которых в статоре кратно трем. Обычно статоры современных генераторов содержат 18 катушек, последовательно соединенных в три группы (по шесть катушек на каждую фазу).

Обмотка возбуждения генератора получает питание или от генератора, или от аккумуляторной батареи. Небольшой силы ток, поступающий в обмотку возбуждения через щетки и контактные кольца, вызывает магнитный поток, который замкнуто циркулирует по металлическим деталям ротора, в том числе по полюсным наконечникам.
Так как полюсные наконечники левой и правой половин сердечника ротора смещены, происходит и смещение магнитно потока. Поэтому входя в один зубец статора, магнитный поток выходит через другой зубец, пересекая катушки статора.

При вращении ротора происходит постоянное чередование северного и южного полюсов ротора, что приводит к изменению пересекающего катушки статора магнитного потока по величине и направлению. В результате в фазных обмотках наводится переменная ЭДС.

Для обеспечения первоначального возбуждения генератора, после включения зажигания, к клемме «В» регулятора напряжения, подводится ток по двум цепям:

1. Плюсовая клемма аккумуляторной батареи — контакт «30» генератора — контакты «30/1» и «15» замка зажигания — контакт «86» и «85» обмотки реле зажигания – клемма «минус» аккумуляторной батареи.
После замыкания реле ток в обмотку возбуждения поступает по второй цепи.

2. Плюсовая клемма аккумуляторной батареи — контакт «30» генератора — контакты «30» и «87» реле зажигания — предохранитель №2 в блоке предохранителей — контакт «4» белого разъема в комбинации приборов — резистор 36 Ом в комбинации приборов — контрольная лампа зарядки аккумуляторной батареи — контакт «12» белого разъема в комбинации приборов — контакт «61» — вывод «В» регулятора напряжения — обмотка возбуждения — вывод «Ш» регулятора напряжения — выходной транзистор регулятора напряжения – минусовая клемма аккумуляторной батареи.

После пуска двигателя обмотка возбуждения питается с общего вывода трёх дополнительных диодов, установленных на выпрямительном блоке, а напряжение в системе электрооборудования автомобиля контролируется светодиодом или лампой в комбинации приборов.
При исправно работающем генераторе после включения зажигания светодиод или лампа должны светиться, а после пуска двигателя — гаснуть, поскольку напряжение на контакте «30» и общем выводе «61» дополнительных диодов становится одинаковым, и ток через контрольную лампу не протекает.

Если светодиодная лампа продолжает гореть после пуска двигателя, то это означает, что генераторная установка неисправна, т. е. либо вообще не выдаёт напряжение, либо оно ниже напряжения аккумуляторной батареи. В этом случае напряжение на разъёме «61» будет ниже напряжения на контакте «30», поэтому в цепи между ними протекает ток, заставляя светиться светодиодную лампу, что свидетельствует о неисправности генератора.

***



Каждая фаза трехфазной обмотки генератора состоит из шести последовательно соединенных катушек. Фазные обмотки соединены между собой по схеме «звезда» или «двойная звезда».
Свободные концы каждой из трех фаз подключены к встроенному в корпус генератора выпрямителю, который состоит из трех моноблоков, соединенных в схему двухполупериодного выпрямителя. Моноблок состоит из оребренного корпуса (для эффективного охлаждения), контактной шайбы, полупроводниковой кремниевой шайбы, герметизирующей заливки и двух выводов.
В каждом моноблоке, являющемся одновременно радиатором и токопроводящим зажимом средней точки, установлено по две полупроводниковые кремниевые шайбы.

Три моноблока выпрямителя размещены на задней крышке генератора, со стороны противоположной приводу, и соединены между собой параллельно.
Обмотка каждой из фаз генератора соединена с соответствующим моноблоком выпрямителя так, чтобы переменный ток подводился между двумя полупроводниковыми шайбами.

Выводы всех моноблоков выпрямителя с одной стороны соединены с корпусом генератора («масса), а с другой – изолированной положительной клеммой генератора.

Схема подключения фазных обмоток генератора к двухполупериодному выпрямителю показана на рис. 4.

Вал ротора вращается на двух шариковых подшипниках, размещенных в крышках генератора. Между крышками зажимается статор с обмотками. На переднем конце вала ротора посредством шпоночного соединения устанавливается шкив ременной передачи для привода генератора.
Между передней крышкой и приводным шкивом на валу ротора размещен охлаждающий вентилятор.
В торцовых крышках генератора выполнены окна для прохода воздуха, который охлаждает детали генератора и выпрямительный блок.

***

Снятие и установка генератора

Для снятия генератора с автомобиля понадобятся ключи гаечные рожковые (или накидные) 8 мм, 10 мм, 17 мм и 19 мм, головка 13 мм, плоская отвертка (для снятия хомутов) и монтажная лопатка.

  • Отсоедините минусовый провод от клеммы аккумуляторной батареи (ключ 10 мм).
  • Аккуратно снимите пластмассовые ленточные хомуты с патрубка воздухозаборника и жгута проводов стартёра и генератора.
  • Разъедините штекерный разъём обмотки возбуждения генератора.
  • Отверните гайку с вывода «30» генератора (ключ 10 мм).
  • Отверните гайку крепления генератора к натяжной планке (ключ 17 мм).
  • С помощью монтажной лопатки подведите генератор к двигателю и снимите приводной ремень.
  • Отверните три болта защиты картера (головка 13 мм) и снимите её.
  • Снимите правый брызговик двигателя, отвернув пять самонарезных винтов (ключ 8 мм).
  • Отверните гайку с нижнего болта крепления генератора к кронштейну (ключ 19 мм).
  • Снимите генератор вместе с патрубком воздухозаборника, немного наклонив его так, чтобы он прошёл вниз между лонжероном и нижним кронштейном крепления генератора.

Установка генератора производится в обратной последовательности.

***

Регулятор напряжения


Главная страница


Дистанционное образование

Специальности

Учебные дисциплины

Олимпиады и тесты

Устройство Генератора Переменного Тока и Принцип Действия

Мощный тяговый генератор переменного тока – строение

Здравствуйте, ценители мира электрики и электроники. Если вы частенько заглядываете на наш сайт, то наверняка помните, что совсем недавно у нас вышел достаточно объемный материал про то, как устроен и работает генератор постоянного тока. Мы подробно описали его строение от самых простых лабораторных прототипов, до современных рабочих агрегатов. Обязательно почитайте, если еще этого не сделали.

Сегодня мы разовьем эту тему, и разберемся, в чем заключается принцип действия генератора переменного тока. Поговорим о сферах его применения, разновидностях и много еще о чем.

Теоретическая часть

Основной принцип работы альтернатора

Начнем с самого основного – переменный ток отличается от постоянного тем, что он с некоторой периодичностью меняет свое направление движения. Также он меняет и величину, о чем мы подробнее поговорим далее.

Спустя определенный промежуток времени, который мы назовем «Т» значения параметров тока повторяются, что на графике можно изобразить в виде синусоиды – волнистой линии, проходящей с одинаковой амплитудой через центральную линию.

Базовые принципы

Итак, назначение и устройство генераторов переменного тока, называемого раньше альтернатором, заключается в преобразовании кинетической энергии, то есть механической, в электрическую. Подавляющее большинство современных генераторов используют вращающееся магнитное поле.

  • Работают такие устройства за счет электромагнитной индукции, когда при вращении в магнитном поле катушки из токопроводящего материала (обычно медная проволока), в ней возникает электродвижущая сила (ЭДС).
  • Ток начинает образовываться в тот момент, когда проводники начинают пересекать магнитные линии силового поля.

Строение простейшего электромагнитного генератора

  • Причем пиковое значение ЭДС в проводнике достигается при прохождении им главных полюсов магнитного поля. В те моменты, когда они скользят вдоль силовых линий, индукция не возникает и ЭДС падает до нуля. Взгляните на любую схему из представленных – первое состояние будет наблюдаться, когда рамка примет вертикальное положение, а второе – когда горизонтальное.

Генератор переменного тока — как устроен

  • Для лучшего понимания протекающих процессов нужно вспомнить правило правой руки, изучавшееся всеми в школе, но мало кем помнящееся. Суть его заключается в том, что если расположить правую руку так, чтобы силовые линии магнитного поля входили в нее со стороны ладони, большой палец, отведенный в сторону, укажет направление движения проводника, а остальные пальцы будут указывать на направление возникающей в нем ЭДС.
  • Взгляните на схему выше, положение «а». В этот момент ЭДС в рамке равно нулю. Стрелочками показано направление ее движения – часть рамки А двигается в сторону северного полюса магнита, а Б – южного, достигнув которых ЭДС будет максимальным. Применяя описанное выше правило правой руки, мы видим, что ток начинает течь в части «Б» в нашу сторону, а в части «А» – от нас.
  • Рамка вращается дальше и ток в цепи начинает падать, пока рамка снова не займет горизонтальное положение (в).
  • Дальнейшее вращение приводит к тому, что ток начинает течь в обратном направлении, так как части рамки поменялись местами, если сравнивать с начальным положением.

Спустя половину оборота, все снова вернется в изначальное состояние, и цикл повторится снова. В итоге мы получили, что за время совершения полного оборота рамки, ток дважды возрастал до максимума и падал до нуля, и единожды менял свое направление относительно нчального движения.

Переменный ток

В его честь была названа частота тока

Принято считать, что длительность периода обращения равняется 1 секунде, а число периодов «Т» является частотой электрического тока. В стандартных электрических сетях России и Европы за одну секунду ток меняет свое направление 50 раз – 50 периодов в секунду.

Обозначают в электронике один такой период особой единицей, названной в честь немецкого физика Г. Герца. То есть в приведенном примере российских сетей частота тока составляет 50 герц.

Вообще, переменный ток нашел очень широкое применение в электронике благодаря тому, что: величину его напряжения очень просто изменять при помощи трансформаторов, не имеющих движущихся частей; его всегда можно преобразовать в постоянный ток; устройство таких генераторов намного надежнее и проще, чем для выработки постоянного тока.

Мощнейшие генераторы, установленные на Пушкинской ГЭС

Строение генератора переменного тока

Как устроен генератор переменного тока, в принципе, понятно, но вот, сравнивая его с собратом для выработки постоянного, не сразу можно уловить разницу.

Основные рабочие части и их подключение

Если вы прочли предыдущий материал, то наверняка помните, что рамка в простейшей схеме была соединена с коллектором, разделенным на изолированные контактные пластины,  а тот, в свою очередь, был связан со щетками, скользящими по нему, через которые и была подключена внешняя цепь.

За счет того, что пластины коллектора постоянно меняются щетками, не происходит смены направления тока – он просто пульсирует, двигаясь в одном направлении, то есть коллектор является выпрямителем.

Устройство и принцип действия генератора переменного тока

  • Для переменного тока такого приспособления не нужно, поэтому его заменяют контактные кольца, к которым привязаны концы рамки. Вся конструкция вместе вращается вокруг центральной оси. К кольцам примыкают щетки, которые также по ним скользят, обеспечивая постоянный контакт.
  • Как и в случае с постоянным током, ЭДС, возникающие в разных частях рамки, будут суммироваться, образуя результирующее значение этого параметра. При этом во внешней цепи, подключенной через щетки (если подсоединить к ней резистор нагрузки RH), будет протекать электрический ток.
  • В рассмотренном выше примере «Т» равняется полному обороту рамки. Отсюда можно сделать логичный вывод, что частота тока, вырабатываемая генератором, напрямую зависит от скорости вращения якоря (рамки), или другими словами ротора, в секунду. Однако это касается только такого простейшего генератора.

Трехфазные генераторы переменного тока и устройство их

Если увеличить число пар полюсов, то в генераторе пропорционально возрастет и число полных изменений тока за один оборот якоря, и частота его будет измерять иначе, по формуле: f = np, где f – это частота, n – число оборотов в секунду, p – количество пар магнитных полюсов устройства.

  • Как мы уже писали выше, течение переменного тока графически изображается синусоидой, поэтому такой ток еще называется и синусоидальным. Сразу можно выделить основные условия, задающие постоянство характеристик такого тока – это равномерность магнитного поля (постоянная его величина) и неизменная скорость вращения якоря, в котором он индуктируется.
  • Для того чтобы сделать устройство достаточно мощным, в нем применяются электрические магниты. Обмотка ротора, в которой индуцируется ЭДС, в действующих агрегатах тоже не является рамкой, как мы показывали в схемах выше. Применяется очень большое количество проводников, которые соединены друг с другом по определенной схеме

Интересно знать! Образование ЭДС происходит не только тогда, когда проводник смещается относительно магнитного поля, но и наоборот, когда двигается само поле относительно проводника, чем активно и пользуются конструкторы электродвигателей и генераторов.

  • Данное свойство позволяет размещать обмотку, в которой индуктируется ЭДС, не только на вращающейся центральной части устройства, но и на неподвижной части. При этом в движение приводится магнит, то есть полюсы.

Синхронный генератор электрического тока и принцип действия этого устройства

  • При таком строении внешняя обмотка генератора, то есть силовая цепь, не нуждается ни в каких подвижных частях (кольцах и щетках) – соединение выполняется жесткое, чаще болтовое.
  • Да, но можно резонно возразить, мол, эти же элементы потребуется установить на обмотке возбуждения. Так и есть, однако сила тока, протекающая здесь, будет намного меньше итоговой мощности генератора, что значительно упрощает организацию подвода тока. Элементы будут малы по размерам и массе и очень надежны, что делает именно такую конструкцию самой востребованной, особенно для мощных агрегатов, например, тяговых, устанавливаемых на тепловозах.
  • Если же речь идет о маломощных генераторах, где токосъем не представляет каких-то сложностей, поэтому часто применяется «классическая» схема, с вращающейся якорной обмоткой и неподвижным магнитом (индуктором).

Совет! Кстати, неподвижная часть генератора переменного тока называется статором, так как она статична, а вращающаяся – ротором.

Вращать легче центральную часть

Виды генераторов переменного тока

Классифицировать и отличить генераторы можно по нескольким признакам. Давайте назовем их.

Трехфазные генераторы

Отличаться они могут по количеству фаз и быть одно-, двух- и трехфазными. На практике наибольшее распространение получил последний вариант.

Схема трехфазного генератора

  • Как видно из картинки выше, силовая часть агрегата имеет три независимые обмотки, расположенные на статоре по окружности, со смещением друг относительно друга на 120 градусов.
  • Ротор в данном случае представляет собой электромагнит, который, вращаясь, индуктирует в обмотках переменные ЭДС, которые сдвинуты друг относительно друга во времени на одну третью периода «Т», то есть такта. По сути, каждая обмотка представляет собой отдельный однофазный генератор, который питает переменным током свою внешнюю цепь R. То есть мы имеет три значения тока I(1,2,3) и такое же количество цепей. Каждая такая обмотка вместе с внешней цепью получила название фазы.

Смещение синусоид на 1/3 такта

  • Чтобы сократить число проводов, ведущих к генератору, три обратных провода, ведущих к нему от потребителей энергии, заменяют одним общим, по которому будут проходить токи от каждой фазы. Такой общий провод называют нулевым
  • Соединение всех обмоток такого генератора, когда их концы соединяются друг с другом, называется звездой. Отдельные три провода, соединяющие начала обмоток с потребителями электроэнергии называются линейными – по ним и идет передача.
  • Если нагрузка всех фаз будет одинаковой, то необходимость в нулевом проводе полностью отпадет, так как общий ток в нем будет равен нулю. Как так получается, спросите вы? Все предельно просто – для понятия принципа достаточно сложить алгебраические значения каждого синусоидального тока, сдвинутых по фазе на 120 градусов. Схема выше поможет понять этот принцип, если представить, что кривые на нем – это изменение тока в трех фазах генератора.
  • Если же нагрузка в фазах будет неодинаковой, то нулевой провод начнет пропускать ток. Именно поэтому распространена 4-х проводная схема подключения звездой, так как она позволяет сохранять электрические приборы, включенные в этот момент в сеть.

Варианты соединения обмоток у трехфазного генератора

  • Напряжение между линейными проводами называется линейным, тогда как напряжение на каждой фазе – фазным. Токи, протекающие в фазах, являются и линейными.
  • Схема подключения звездой не является единственной. Существует и другой вариант последовательного подключения трех обмоток, когда конец одной соединен с началом второй, и так далее, пока не образуется замкнутое кольцо (см. схему выше «б»). Исходящие от генератора провода подключаются в местах соединения обмоток.
  • В таком случае фазовые и линейные напряжения будут одинаковыми, а ток линейного провода будет больше фазного, при их одинаковой нагрузке.
  • Такое соединение также не нуждается в нулевом проводе, в чем и заключается основное преимущество трехфазного генератора. Наличие меньшего количества проводов делают его проще, и цена его ниже, из-за меньшего количества используемых цветных металлов.

Принципиальная схема генератора тока

Еще одной особенностью трехфазной схемы подключения является появление вращающегося магнитного поля, что позволяет создавать простые и надежные асинхронные электродвигатели.

Но и это не все. При выпрямлении однофазного тока на выходе выпрямителя получается напряжение с пульсациями от нуля до максимального значения. Причина, думаем, ясна, если вы поняли основной принцип работы такого устройства. Когда же присутствует сдвиг по времени фаз, пульсации сильно уменьшаются, не превышая 8%.

Различие по виду

Отличаются генераторы и по виду, которых существует 2:

Синхронный генератор

  • Синхронный генератор переменного тока – главная особенность такого агрегата заключается в жесткой связи частоты переменной ЭДС, которая наведена в обмотке и синхронной частотой вращения, то есть вращения ротора.

Принцип действия и устройство синхронного генератора.

  1. Взгляните на схему выше. На ней мы видим статор с трехфазной обмоткой, соединенной по треугольной схеме, которая мало чем отличается от той, что стоит на асинхронном двигателе.
  2. На роторе генератора располагается электромагнит с обмоткой возбуждения, питающаяся от постоянного тока, который может быть подан на него любым известным способом – об этом подробнее будет расписано далее.
  3. Вместо электромагнита может быть применен постоянный, тогда необходимость в скользящих частях схемы, в виде щеток и контактных колец, отпадает вовсе, на такой генератор не будет достаточно мощным и не сможет нормально стабилизировать выходные напряжения.
  4. К валу ротора подключается привод – любой двигатель, создающий механическую энергию, и он приводится в движение с определенной синхронной скоростью.
  5. Так как магнитное поле главных полюсов вращается вместе с ротором, начинается индукция переменных ЭДС в обмотке статора, которые можно обозначить как Е1, Е2 и Е3. Эти переменные будут одинаковыми по значению, но как уже не раз говорилось, смещенными на 120 градусов по фазе. Вместе эти значения образуют трехфазную систему ЭДС, которая симметрична.
  6. К точкам С1,С2 и С3 подключается нагрузка, и на фазах обмотки в статоре появляются токи I1,I2,и I В это время каждая фаза статора сама становится мощным электромагнитом и создает вращающееся магнитное поле.
  7. Частота вращения магнитного поля статора будет соответствовать частоте вращения ротора.

Асинхронный электрический двигатель

  • Асинхронные генераторы – их отличает от описанного выше примера то, что частоты ЭДС и вращения ротора жестко не привязаны друг к другу. Разница между этими параметрами называется скольжением.
  1. Электромагнитное поле такого генератора в обычном рабочем режиме оказывает под нагрузкой тормозной момент на вращение ротора, поэтому частота изменения магнитного поля будет меньшим.
  2. Эти агрегаты не требуют для создания сложных узлов и применения дорогих материалов, поэтому нашли широкое применение, как электрические двигатели для транспорта, из-за легкого обслуживая и простоты самого устройства. Данные генераторы устойчивы к перегрузкам и коротким замыканиям, однако на устройствах сильно зависящих от частоты тока они неприменимы.

Способы возбуждения обмотки

Последнее различие моделей, которое хотелось бы затронуть, связано со способом запитки возбуждающей обмотки.

Тут можно выделить 4 типа:

  1. Питание на обмотку подается через сторонний источник.
  2. Генераторы с самовозбуждением – питание берется от самого генератора, при этом напряжение выпрямляется. Однако находясь в неактивном состоянии, такой генератор не сможет выработать достаточного напряжения, чтобы стартовать, для чего в схеме применяется аккумулятор, который будет задействован во время старта.
  3. Вариант с обмоткой возбуждения, питающейся от другого генератора меньшей мощности, установленного с ним на одном валу. Второй генератор уже должен стартовать от стороннего источника, например, того же аккумулятора.
  4. Последняя разновидность вообще не нуждается в подаче питания на обмотку возбуждения, так как ее у него нет, ведь применяется в устройстве постоянный магнит.

Применение генераторов переменного тока на практике

Промышленное производство мощных генераторов

Применяются такие генераторы практически во всех сферах человеческой деятельности, где требуется электрическая энергия. Причем принцип ее добычи отличается только способом приведения в движение вала устройства. Так работают и гидро-, и тепло- и даже атомные станции.

Данные станции запитывают по проводам общественные сети, к которым подключается конечный потребитель, то есть все мы. Однако существует множество объектов, к которым невозможно доставить электрическую энергию таким способом, например, транспорт, стройплощадки вдали от линий электропередач, очень далекие поселки, вахты, буровые установки и прочее.

Это означает только одно – требуется свой генератор и двигатель, приводящий его в движение. Давайте рассмотрим несколько небольших и часто встречающихся в нашей жизни устройств.

Автомобильные генераторы

На фото — электрический генератор для автомобиля

Кто-то возможно тут же скажет: «Как? Это же генератор постоянного тока!». Да, действительно, так оно и есть, однако таковым его делает лишь наличие выпрямителя, который этот самый ток делает постоянным. Основной принцип работы ничем не отличается – все тот же ротор, все тот же электромагнит и прочее.

Принципиальная схема автомобильного генератора

Это устройство функционирует таким образом, что вне зависимости от скорости вращения вала, оно вырабатывает напряжение в 12В, что обеспечивается регулятором, через который идет питание обмотки возбуждения. Обмотка возбуждения стартует, запитываясь от автомобильного аккумулятора, ротор агрегата приводится в движение двигателем автомобиля через шкив, после чего начинает индуцироваться ЭДС.

Для выпрямления трехфазного тока используется несколько диодов.

Генератор на жидком топливе

Бензиновый генератор

Устройство бензинового генератора переменного тока, ровно, как и дизельного, мало чем отличается от того, что установлен в вашем автомобиле, за исключением нюанса, что ток он будет выдавать, как положено, переменный.

Из особенностей можно выделить то, что ротор агрегата всегда должен вращаться с одной скоростью, так как при перепадах выработка электроэнергии становится хуже. В этом кроется существенный недостаток подобных устройств – подобный эффект происходит при износе деталей.

Интересно знать! Если к генератору подключить нагрузку, которая будет ниже рабочей, то он не будет использовать свою мощность на полную, съедая часть жидкого топлива впустую.

Панель управления генератора

На рынке представлен большой выбор подобных агрегатов, рассчитанных на разную мощность. Они пользуются большой популярность за счет своей мобильности. При этом инструкция по пользованию предельно проста – заливаем своими руками топливо, запускаем двигатель поворотом ключа и подключаемся…

На этом, пожалуй, закончим. Мы разобрали назначение и общее устройство этих приборов  максимально просто. Надеемся, генератор переменного тока и принцип его действия стали к вам чуточку ближе, и с нашей подачи вы захотите погрузиться в увлекательный мир электротехники.

КАК ПОДОБРАТЬ АВТОНОМНЫЙ ГЕНЕРАТОР? | Компания Пневмотехника

Рынок автономных генераторов – это обширный выбор моделей электростанций, как правило, бензиновых и дизельных. Технические отличия между первыми и вторыми существенные. Как выясняется из практического применения, бензиновые генераторы не способны работать в долговременном режиме и обязательно требуют перерыва между рабочими циклами. Если же такие условия не соблюдаются, бензиновый аппарат попросту выходит из строя, не освоив и половины ресурса, заявленного производителем.

Дизельные генераторы в этом плане куда более предпочтительны. Конструкции дизельных генераторов рассчитаны на длительную, практически беспрерывную эксплуатацию. К тому же установки на базе дизельных приводов, как правило, представлены линейкой мощной электрической аппаратуры. Не удивительно, что бензиновым генераторам отводится миссия временного хозяйственно-бытового вспомогательного оборудования, тогда как дизельные станции полностью претендуют на установки стационарного назначения, способные постоянно обеспечивать различные объекты стабильной электроэнергией.

Аппараты, функционирующие от бензинового привода, часто привлекают потребителей более низкой стоимостью по сравнению с установками дизельными. Что же, если предполагается использовать бензогенератор только как источник резервного электроснабжения, который будет вырабатывать электричество лишь на время отсутствия тока в централизованной сети, такой вариант вполне возможен. Но для целей более глобальных, когда необходим высокий уровень мощности и полная независимость от централизованных линий, безусловно, подойдет только дизельная автономная электростанция.

Выбор пользователя должен основываться не только на отдельных моментах применения техники. Стоит помнить и о том, что современные автономные электростанции рассчитаны на работу строго в рамках собственных технических возможностей. Проще выражаясь, если эксплуатировать электростанцию без учета эксплуатационных требований производителя, на длительный срок действия устройства можно не рассчитывать. Поэтому, если приобретается бензиновый генератор для целей чисто хозяйственных (питание электроинструмента, зарядка аккумуляторов, электросварка), устройство должно использоваться только для выполнения этих задач. Перегрузка устройства за счет попытки подключения больших мощностей, приведет к быстрой поломке.

Поиск оптимального варианта генераторной установки – ответственный и важный момент, от которого зависит срок службы и эффективность оборудования. Поэтому стоит учитывать все показатели и особенности агрегата. Если Вы испытываете трудности в выборе генератора, обратитесь к помощи профессионала. Для связи со специалистами нашей компании звоните по телефонам, указанным на сайте, или обращайтесь по любой из форм связи, указанных в контактах.

Воздушная или жидкостная системы охлаждения генератора. Какую электростанцию выбрать?

Одним из важных критериев в процессе приобретения электростанции, безусловно, является критерий оценки всей конструкции в целом. В частности, особое внимание обращается на систему охлаждения, от конструкции которой зависят многие параметры устройства. Современные бензиновые и дизельные генераторы могут оснащаться системой воздушного охлаждения, либо системой водяного охлаждения. Вполне понятно, что первый вариант не способен обеспечить полноценного охлаждения при высоких нагрузках, тем более, если конструкция генератора достаточно мощная. Поэтому, станции с воздушной системой охлаждения, как правило, находят применение лишь в конструкциях маломощных аппаратов.

Что представляет собой генератор, оснащенный системой воздушного типа?

Собственно, ничего сверхъестественного в конструкции не отмечается. На валу аппарата устанавливается крыльчатка, которая при вращении создает воздушный поток. Крыльчатка устанавливается таким образом, чтобы поток воздуха охватывал основные рабочие узлы машины. Исполнение и размеры крыльчаток могут отличаться, что отражается на эффективности воздушного охлаждения. Эффективность такого способа охлаждения также во многом определяется температурой окружающей среды. Чем выше температура, тем ниже эффективность охлаждения.

Жидкостной способ – это уже значительно улучшенный вариант системы охлаждения

Такой способ зачастую применяется на генераторах средней и большой мощности. Функции охлаждающего носителя в большинстве случаев выполняет обычная вода. Однако существуют системы, где применяются специальные холодильные агенты. Использование жидкостной системы охлаждения позволяет эксплуатировать электростанции продолжительное время. Отличительной чертой подобных машин также можно считать существенное снижение уровня шума в процессе работы — здесь дает о себе знать отсутствие вентилятора. Правда, вентилятор исключается только в конструкциях, где предусматривается постоянная подпитка охлаждающей жидкости.

Жидкостное охлаждение, функционирующее по принципу замкнутой системы

Немалое количество генераторных электростанций имеют жидкостное охлаждение, функционирующее по принципу замкнутой системы, в составе которой включены такие элементы, как радиатор-теплообменник, насос, расширительный бак, вентилятор. Циркуляция жидкости через радиатор организуется за счёт работы насоса. В процессе работы системы, жидкость естественно нагревается и также требует отвода тепла. Для этих целей предусмотрен вентилятор, установленный перед радиатором. Радиаторные решетки обдуваются потоком воздуха от вентилятора. Подобным образом реализуется отвод тепла от жидкости.

Итак, при выборе генератора, стоит учитывать, что:

1. Электростанции с воздушным охлаждением – оптимальный вариант для полупрофессионального, непродолжительного использования в генераторах переменного тока малой мощности.

2. Генераторы жидкостного охлаждения могут работать в течение длительного времени без необходимости в перерывах.

3. В качестве резервного энергоснабжения можно применять генераторы с воздушной системой охлаждения и маломощные генераторы жидкостного охлаждения. Остальные установки могут работать как основное оборудование, об исключениях производитель обычно предупреждает соответствующей маркировкой.

Консультации — Инженер по подбору | Проектирование генераторных систем

Тарек Г. Туссон, ЧП, Stanley Consultants, Остин, Техас 14 марта 2016 г.

Цели обучения

  • Объясняет основы проектирования генераторных систем.
  • Опишите влияние типов нагрузки на конструкцию системы генератора.
  • Проанализируйте нормы и стандарты, относящиеся к проектированию системы генератора.

При проектировании систем генераторов инженеры должны убедиться, что генераторы и электрические системы здания, которые они поддерживают, подходят для применения.Прежде чем приступить к проектированию системы генератора, необходимо ответить на многие вопросы. Большинство этих вопросов связано с применением и условиями эксплуатации на площадке, которые определяют выбор различных компонентов системы генератора и их характеристик.

Ответы на эти вопросы помогут инженерам принять решение относительно размера генератора, последовательности загрузки, параллельной работы, хранения топлива, сценариев переключения и многих других критериев.

Нормы и правила

Назначение генераторной системы будет определять, какой набор норм и правил применим к конструкции.Применимые нормы и правила устанавливают параметры для требований к конструкции, производительности и техническому обслуживанию. NFPA 70-2014: Национальный электротехнический кодекс (NEC), NFPA 99-2015: Кодекс медицинских учреждений, NFPA 101-2015: Кодекс безопасности жизнедеятельности и NFPA 110-2016: Стандарт для систем аварийного и резервного питания охватывают основные аспекты этих требования. Инженер-проектировщик должен внимательно рассмотреть все различные нормы и правила, которые будут применяться к конструкции системы генератора.

NEC устанавливает основные требования к конструкции генераторной системы.Эти требования к конструкции содержатся в статье 445 «Генераторы»; Статья 700 «Аварийные системы»; Статья 701, Законодательные резервные системы; Статья 702, Дополнительные резервные системы; Статья 705 «Объединенные источники производства электроэнергии»; и Статья 708, Системы питания критических операций (COPS).

Статья 445 «Генераторы» содержит требования к установке и другие требования к генераторам, такие как расположение, маркировка, максимальная токовая защита, допустимая токовая нагрузка проводов и другие.

Статья 700 «Аварийные системы» применяется к тем системам, которые по закону должны автоматически обеспечивать освещение и питание, необходимые для безопасности жизни человека, в случае выхода из мест сбора во время обычного отключения электроэнергии или аварии.Согласно 700.12, Общие требования, при потере нормального питания необходимо подать питание аварийной системы в течение 10 секунд или меньше.

Статья 701, Обязательные по закону резервные системы, применяется к тем резервным системам, которые требуются по закону муниципальными, государственными, федеральными или другими кодексами или любым правительственным учреждением, имеющим юрисдикцию. Эти системы предназначены для автоматического питания выбранных нагрузок (кроме тех, которые классифицируются как аварийные системы), которые могут создать опасность или затруднить спасательные или противопожарные операции при остановке в случае выхода из строя нормального источника питания.Согласно 701.12, Общие требования, при потере нормального питания питание резервной системы должно подаваться за 60 секунд или меньше.

Статья 702, Дополнительные резервные системы, применяется к системам, предназначенным для обеспечения альтернативного питания (электроэнергии, генерируемой на месте) для выбранных нагрузок, автоматически или вручную, когда перебои в работе электрической системы вызывают серьезное прекращение работы.

Статья 705 «Объединенные источники производства электроэнергии» применяется к синхронным генераторным установкам, работающим параллельно.

Статья 708, Системы электропитания для критических операций (COPS), применяется к тем системам, которые должны непрерывно работать по причинам общественной безопасности, управления чрезвычайными ситуациями или национальной безопасности. Эти системы предназначены для автоматического питания нагрузок COPS в случае выхода из строя нормального источника питания.

Дополнительные нормы и правила применяются в некоторых специальных приложениях, таких как пожарные насосы. NFPA 20-2016: Установка стационарных насосов для противопожарной защиты и статья 695 NEC «Пожарные насосы» содержат рекомендации по проектированию системы генератора.Согласно 695.7 [20: 9.4], напряжение не должно падать более чем на 15% от нормального напряжения контроллера на контроллере пожарного насоса в условиях запуска двигателя.

Своевременное участие органа, выдающего разрешения, и органа, обладающего юрисдикцией, поможет инженеру-проектировщику определить, какой набор норм и правил применяется к системе генератора на этапе проектирования. Это также поможет инженеру-проектировщику понять различные интерпретации кодов.

Условия эксплуатации площадки

Местоположение устанавливаемой генераторной системы существенно повлияет на то, как система построена и устроена.Если система генератора должна быть установлена ​​внутри помещения в специально отведенном помещении или совместно с другим оборудованием системы здания, можно использовать конфигурацию генераторной установки открытого типа (см. Рисунки 1 и 2). Однако могут возникнуть и другие проблемы. Генераторные установки и вспомогательное оборудование должны быть доступны для эксплуатации и технического обслуживания, несущая способность здания должна быть достаточной для размещения генераторной установки (ей) и вспомогательного оборудования, конструкция должна соответствовать применимым нормам и правилам (шум, выбросы, вибрация и т. Д.)), а планировка помещения должна удовлетворять требованиям производителя в отношении надлежащего забора воздуха для горения, подачи топлива, вентиляции и вытяжки. Все оборудование системы здания, расположенное вместе с системой генератора, должно быть оценено, поскольку оно должно работать в одинаковых условиях окружающей среды.

Если генераторная установка должна быть установлена ​​на открытом воздухе, генератор должен быть снабжен всепогодным кожухом для защиты от условий окружающей среды, таких как дождь, снег, коррозия, затопление и т. Д.Кожух также ограничит нежелательный доступ и защитит генератор от возможного вандализма. Дополнительные характеристики, такие как акустическая облицовка и класс глушителя, могут потребоваться при выборе водонепроницаемого кожуха для соответствия допустимому уровню шума. Всепогодный кожух удобен для обслуживания в суровых погодных условиях. Дополнительный резервуар с двойными стенками является дополнительным элементом для хранения дизельного топлива. Переносные или смонтированные на прицепе генераторные системы требуются в случаях, когда генератор не может быть постоянно установлен на месте или должен использоваться для резервного питания в нескольких местах.

Нагрузочные характеристики

Типы нагрузки и электрические характеристики нагрузок, обслуживаемых системой генератора, оказывают значительное влияние на размер системы генератора, топологию конфигурации системы и сложность проектирования системы. Инженеры-проектировщики должны понимать профиль нагрузки и оценивать различные варианты конструкции, чтобы обеспечить надежную и экономичную систему генератора с рейтингом, основанным на профиле нагрузки и требованиях к времени работы.

Типы нагрузки бывают линейными и нелинейными.Линейные нагрузки включают нагреватели, двигатели и трансформаторы. К нелинейным нагрузкам относятся компьютеры, источники бесперебойного питания (ИБП), электронные балласты освещения, электронное оборудование и частотно-регулируемые приводы. Нелинейные нагрузки обычно вносят гармоники в электрическую систему. В зависимости от величины гармоник и общего гармонического искажения, присутствующего в электрической системе, мощность генераторной установки будет снижена для надежной поддержки нагрузок. Линейные нагрузки, такие как большие двигатели, имеют высокий пусковой ток (ток заторможенного ротора), что в некоторых случаях требует увеличения мощности генераторной установки, чтобы преодолеть потребность.

Размер нагрузки относительно размера системы генератора также может иметь значительное влияние на работу системы генератора. Всякий раз, когда нагрузка прикладывается к генераторной установке или снимается с нее, частота вращения, напряжение и частота двигателя будут испытывать переходное состояние или временное изменение по сравнению с их установившимся состоянием. Если подключенная нагрузка или датчик нагрузки слишком велики, генератор может не запуститься. Частота вращения, напряжение и частота двигателя могут выходить за пределы рабочих пределов системы генератора и отключаться, или они могут отклоняться за пределы, приемлемые для нагрузки, и вызывать отключение нагрузки.Таким образом, характеристики нагрузки и возможности реакции системы генератора являются важными проектными параметрами, которые необходимо учитывать.

После определения задействованных характеристик нагрузки необходимо разработать профиль нагрузки, описывающий последовательность подачи мощности генератора на различные типы нагрузки и приращения, а также частоту включения и выключения этих нагрузок.

Система двигатель-генератор

Система двигатель-генератор состоит из множества компонентов, которые сильно влияют на размер и выходную мощность генераторной установки.Общие ключевые компоненты, которые следует учитывать при выборе двигателя-генератора, — это тип генератора переменного тока, тип возбудителя, регулятор частоты вращения двигателя и тип топлива.

Синхронный генератор переменного тока является наиболее широко используемым типом генератора переменного тока. Он лучше всего подходит для резервного генератора, поскольку выходную мощность, напряжение и частоту можно легко контролировать в автономном (автономном) приложении. Выходная мощность создается за счет приложенного крутящего момента на валу генератора от двигателя.Выходное напряжение регулируется постоянным током возбуждения вращающейся обмотки возбуждения. Выходная частота регулируется скоростью вращения обмотки возбуждения.

Возбудитель генерирует ток, необходимый для обмотки возбуждения, чтобы установить выходное напряжение на обмотке генератора. Выходное напряжение постоянно контролируется и регулируется путем регулировки возбуждения обмотки возбуждения. Есть много типов возбудителей. Чаще всего используются самовозбудитель и возбудитель на постоянных магнитах.Возбудитель с постоянным магнитом лучше реагирует на пусковые нагрузки двигателя и гармоники более низкого порядка (см. Рисунок 3).

Регулятор управляет скоростью двигателя-генератора, чтобы обеспечить нужную частоту выходной мощности при различных условиях нагрузки. Изохронный регулятор, механический или электронный, чаще всего используется с системами резервного генератора. Электронный изохронный регулятор обеспечивает более точную реакцию скорости на изменения нагрузки по сравнению с механическим изохронным регулятором.

Частота выходной мощности генератора рассчитывается по формуле:

F = (P * N) / 120

Где F = частота (Гц), P = число полюсов генератора и N = скорость генератора (об / мин). Например, четырехполюсный генератор должен вращаться со скоростью 1800 об / мин, чтобы обеспечить 60 Гц.

Есть несколько видов топлива на выбор: дизельное топливо, бензин, природный газ и пропан. Перед выбором типа топлива инженеры-проектировщики должны учитывать такие факторы, как наличие физического пространства на объекте, надежность подачи топлива, ограничения на хранение на месте и связанные с этим опасности, соответствие нормам и правилам, стоимость и характеристики приводного генератора.

Дизельные двигатели

традиционно обеспечивают лучший переходный режим и реакцию на нагрузку, в то время как двигатели, работающие на природном газе, более экологически безопасны с точки зрения выбросов. Разработка промышленных двигателей с искровым зажиганием (на природном газе) теперь позволяет оптимизировать скорость этих двигателей, чтобы их переходные характеристики были аналогичны характеристикам дизельного топлива. В настоящее время производители производят двигатели-генераторы, работающие на природном газе, которые могут удовлетворить 10-секундное требование запуска для резервных систем, традиционно связанных только с дизельными двигателями.Обычно блок двигатель-генератор, работающий на природном газе, физически больше, чем блок дизельный двигатель-генератор с такой же выходной мощностью. Следовательно, это повлияет на требования к физическому пространству для установки. Кроме того, установка на природном газе будет стоить больше, чем дизельное топливо, если рассматривать установки с выходной мощностью более 150 кВт.

Выбор между двигателем-генератором, работающим на природном газе, и дизельным двигателем-генератором зависит от области применения, наличия источника топлива, условий на площадке проекта и других ограничений проекта, как упоминалось ранее.Если ограничения приложения и проекта требуют использования дизельного двигателя-генератора, следует спроектировать систему подачи и хранения топлива. В большинстве случаев для дизельного топлива достаточно двустенного нижнего бака. Однако в больших генераторных установках или приложениях, которые требуют большого количества хранилища топлива на месте, таких как COPS, размер базового резервуара может быть неудобным для эксплуатации и обслуживания, поскольку агрегат будет располагаться слишком высоко над площадкой. В этом случае более практичной была бы более сложная конструкция доставки и хранения топлива.Топливная система с резервуаром для хранения, перекачивающими насосами и дневными резервуарами может быть более жизнеспособным вариантом. Топливоперекачивающие насосы должны питаться от системы генератора для непрерывной работы во время простоя.

Автоматические переключатели

Основная функция безобрывного переключателя в системе генератора заключается в изменении подключения нагрузки с обычного (обычно сетевого) источника питания на аварийный источник питания (см. Рисунки 4 и 5). Переключатель с ручным переключением приводится в действие квалифицированным персоналом с физическим или моторным приводом для переключения между нормальным и аварийным питанием, когда это необходимо.Автоматический переключатель резерва (АВР) приводится в действие двигателем и оснащен контроллером для определения доступности и состояния источников питания (нормального и аварийного). Коммутатор автоматически переключается с одного источника на другой в соответствии с заданной программой в случае отключения электроэнергии или запланированных проверок системы генератора.

Когда дело доходит до перехода от одного источника к другому, есть два типа переключателей: открытый переход и закрытый переход. Чаще всего используются переключатели с разомкнутым переходом.Переключатель передачи с открытым переходом сначала полностью разорвет соединение с одним источником, перейдет в положение перехода, а затем подключится к другому источнику. И наоборот, передаточный переключатель с замкнутым переходом подключит нагрузку к обоим источникам мгновенно — менее чем за 100 миллисекунд — при переключении с одного источника на другой. Безобрывный переключатель является важным компонентом генераторной системы. Инженеры-проектировщики должны выбрать правильный безобрывный переключатель или переключатели, подходящие для применения.

Когда нормальный источник питания прерывается или его характеристики (напряжение, частота или чередование фаз) выходят за рамки установленных параметров, контроллер безобрывного переключателя будет продолжать контролировать нормальный источник питания, пока не истечет время задержки. Передаточный переключатель пошлет сигнал «RUN» для запуска системы генератора и размыкания контактов на нормальный источник питания, положение «Open Transition». После того, как генераторная система заработает и достигнет заданных параметров аварийного источника питания для напряжения, частоты и чередования фаз в течение запрограммированного времени задержки, безобрывный переключатель закроет соединение с аварийным источником питания.Если аварийный источник питания не достигает заданных параметров в течение запрограммированного времени задержки, безобрывный переключатель подает сигнал тревоги. Передаточный переключатель будет продолжать контролировать нормальный источник питания, пока он не будет находиться в пределах заданных параметров. Когда нормальный источник питания восстановлен и запрограммированное время задержки истекло без каких-либо изменений, передаточный переключатель переключится обратно на нормальный источник питания и отправит сигнал «СТОП» для выключения системы генератора по истечении запрограммированного времени задержки.

Время срабатывания безобрывного переключателя, включая время задержки переключения с обычного источника питания на аварийный, должно соответствовать применимым нормам и правилам. Если безобрывный переключатель установлен для обслуживания приложения аварийной системы при потере нормального питания, питание аварийной системы должно быть подано в течение 10 секунд в соответствии со статьями 700 NEC «Аварийные системы» и 700.12 «Общие требования». Принимая во внимание, что если передаточный переключатель установлен для обслуживания требуемых по закону приложений резервной системы при потере нормального питания, питание резервной системы требуется подавать в течение 60 секунд или меньше в соответствии со статьями 701, Законодательными требованиями резервных систем и 701 NEC.12, Общие требования. В некоторых приложениях, таких как пожарные насосы, инженеры-проектировщики должны при указании переключателя гарантировать, что он указан для службы приложений в соответствии со статьями 695 NEC, Пожарные насосы, 695.10, Перечисленное оборудование, и в соответствии с NFPA 20, Глава 10, Электрооборудование. -Приводные контроллеры и аксессуары, 10.1.2.1 Листинг.

Обязательно определить, является ли система генератора отдельно производной системой. Для отдельно выделенной системы потребуется четырехполюсный переключатель для переключения проводника заземленной цепи (нейтрали) между нормальным заземлением источника и отдельно выделенной землей системы генератора (см. Статью 250 NEC.30, Заземление автономных систем переменного тока).

Автоматические переключатели

могут включать в себя такие функции, как служебный вход, максимальная токовая защита, звуковое и визуальное оповещение о тревоге и изоляция байпаса. В связи с недавними изменениями кодов установка док-станции становится все более распространенным вариантом проектирования, обеспечивающим безопасное, надежное и простое соединение для блоков нагрузки для проведения нагрузочных испытаний системы генератора по мере необходимости, а также для подключения переносного генератора в качестве нужный.

Параллельное соединение

Параллельная система генераторов использует несколько генераторов для формирования системы генераторов большой мощности. Параллельное подключение нескольких генераторов достигается за счет синхронизации выхода генераторов и их подключения к общей шине параллельного распределительного устройства. Синхронизация выхода генераторов требует, чтобы все параллельно включенные генераторы имели одинаковое напряжение, частоту и чередование фаз. Чтобы упростить конструкцию системы параллельных генераторов, следует использовать идентичные генераторы или, по крайней мере, генераторы должны иметь одинаковые выходные параметры и шаг генератора.

Если параллельное подключение разнородных генераторов необходимо из-за существующих на объекте условий, конструкция системы параллельных генераторов становится намного более сложной. Каждая конфигурация генератора должна быть оценена, и разнородные компоненты, такие как регулировка скорости, регулировка напряжения и генератор переменного тока, должны быть модернизированы для соответствия.

«Шаг» — это термин, используемый для определения конструктивных механических характеристик генератора переменного тока. Параллельное подключение генератора переменного тока с шагом 2/3 и генератора с модулем переменного тока с шагом 5/6 приведет к циркуляции нейтральных токов.Циркулирующий ток нарушит работу защитного устройства и может повредить генераторы переменного тока.

Кроме того, нагрузки электрической системы должны быть разделены на аварийные, требуемые по закону резервные и дополнительные резервные нагрузки (см. Рисунки 6 и 7). Электрическая система должна быть сконфигурирована таким образом, чтобы классифицированные нагрузки были разделены, а генераторные установки были рассчитаны таким образом, чтобы один генератор мог обслуживать аварийные и требуемые по закону нагрузки.

Параллельная система генераторов может дать несколько преимуществ по сравнению с системой с одним генератором.Основными преимуществами системы параллельных генераторов являются надежность, доступность, расширяемость и экономия топлива. Надежность достигается в системе с двумя генераторами (конфигурация 2N, полное резервирование) путем подбора размеров каждого генератора для питания только нагрузки. Если один генератор не запускается, второй генератор запускается и питает нагрузки. Надежность в системе с несколькими генераторами (конфигурация N + 1, ограниченное резервирование) обеспечивается установкой одного дополнительного генератора. Техническое обслуживание может выполняться без прерывания работоспособности генераторной системы, поскольку один генератор может быть удален из системы для проведения планового или внепланового обслуживания, в то время как другие генераторы доступны для питания нагрузок.Первоначальная установка может быть ограничена минимальным количеством генераторов, соответствующих требованиям к нагрузке, а при увеличении требований к нагрузке система параллельных генераторов может быть расширена путем добавления генераторов. Снижение затрат на топливо достигается при изменении питающих нагрузок, а параллельное распределительное устройство регулируется для работы минимального количества генераторов, чтобы избежать неэффективности использования топлива слабо загруженных генераторов.

Если выбрана система параллельных генераторов, инженеры-проектировщики должны обеспечить соблюдение применимых норм и правил и, при необходимости, рассмотреть различные конструкции параллельных систем управления для повышения надежности.

Размер генератора

Инженер-проектировщик должен узнать, как выполняются расчеты размеров генератора вручную или с использованием программного обеспечения. Большинство производителей генераторов предоставляют программное обеспечение для расчета генераторов, чтобы помочь инженерам-проектировщикам и разработчикам систем генераторов. Хотя программное обеспечение для определения размеров генератора — очень удобный инструмент, инженер-конструктор должен оценить нагрузку и характеристики производительности, прежде чем выбирать одну генераторную установку над другой. Кроме того, следует отметить, что результаты номинальных характеристик генератора зависят от производителя и, возможно, потребуется снижение номинальных значений с учетом температуры окружающей среды, высоты над уровнем моря и гармоник.Падение напряжения и частотная характеристика будут различаться между генераторами от разных производителей.

Для выполнения расчетов размера генератора вручную необходима следующая информация для каждой нагрузки:

  • Информация о пуске нагрузки: пусковые киловатты (SkW), пусковые киловольт-амперы (SkVA) и пусковой коэффициент мощности (PF)
  • Информация о работе под нагрузкой: рабочие киловатты (RkW), рабочие киловольт-амперы (RkVA) и рабочий коэффициент мощности (PF).

Для нагрузок двигателя эта информация может быть получена из данных паспортной таблички: мощность, КПД, заторможенный ротор, кВА / л.с., коэффициент мощности при запуске двигателя и коэффициент мощности во время работы.Кроме того, нелинейные характеристики нагрузки потребуются для правильного выбора размера генератора переменного тока и выбора оптимального типа возбудителя. Последовательность загрузки генератора будет определять, как суммируются SkW, SkVA, RkW и RkVA для определения общих SkW, SkVA, RkW и RkVA генератора. Затем генератор выбирается таким образом, чтобы он соответствовал минимальным значениям RkW, RkVA, SkW и SkVA, требуемым из листов технических характеристик генератора (см. «Примеры определения размеров генератора» в интерактивной и цифровой версиях).


ОБ АВТОРЕ

Тарек Туссон — старший инженер-электрик в Stanley Consultants. Его опыт работы с двигателями, генераторами и системами ИБП, и он имеет 20-летний опыт проектирования систем распределения электроэнергии для критически важных объектов и других типов зданий.


Пример: переносная система резервного генератора для скважинного насоса

Требовалось разработать переносную систему резервного генератора для конфиденциального сотрудничества в области водоснабжения для работы водяного насоса во время обычных перебоев в электроснабжении.Насос гидроустановки и другие различные нагрузки обслуживались из существующего центра управления электродвигателями (ЦУД). MCC запитывался от главного выключателя, расположенного рядом с трансформатором электросети. Для запуска насосов использовались твердотельные пускатели пониженного напряжения (SSRVS) с внешними байпасами. Для управления работой насоса использовался программируемый логический контроллер. Обычная последовательность работы заключается в том, что, когда есть потребность в производстве воды, отправляется сигнал пуска для запуска обоих насосов. Насосы запускаются поочередно с помощью таймеров задержки, которые перехватывают сигнал разрешения работы на SSRVS каждого насоса.

После завершения полевых работ по документированию существующей электрической системы был разработан проект установки системы генератора. Предлагаемая конструкция системы генератора предусматривала определение размеров генератора и АВР, последовательность операций, модификации существующей системы управления и компоновку оборудования. Определение размера генератора было важнейшей задачей из-за характера поддерживаемой нагрузки и ограниченности доступных на рынке продуктов. Переносной генератор должен был поддерживать как насос, так и различные нагрузки.Он также должен был приспособиться к установке на прицепе на гусиной шее, чтобы его можно было тянуть с помощью обычного пикапа, а не грузового автомобиля.

Для удовлетворения этих требований был выбран дизельный генератор с возбуждением типа генератора на постоянных магнитах (PMG), чтобы обеспечить наилучший отклик на переходную нагрузку во время запуска двигателя и улучшенную реакцию восстановления. АВР был установлен ниже по течению от основного сервисного разъединителя и выше по течению от MCC. ATS был интегрирован с док-станцией генератора, чтобы обеспечить безопасное, надежное и простое подключение портативного генератора.Док-станция генератора была оборудована соединением вспомогательной проводки, которое использовалось для управляющей сигнализации для отправки сигнала работы генератору в случае нормального отключения электроэнергии или запланированного включения генератора. Подключение также использовалось для удаленного контроля состояния генератора (уровень топлива, температура охлаждающей жидкости и т. Д.). Кроме того, подключение обеспечивало вспомогательное питание зарядного устройства аккумуляторной батареи портативного генератора и блочного нагревателя.

Существующий блок управления был изменен, чтобы предотвратить работу обоих насосов, когда электрическая система питается от генератора.Это было сделано путем установки реле блокировки, которые перехватывали сигнал разрешения работы на SSRVS обоих насосов. Реле блокировки были включены в последовательность управления после того, как АВР находился в положении аварийного источника. Был предусмотрен переключатель предпочтений, чтобы выбрать, какой насос будет работать от генератора. Переключатель предпочтений обошел реле блокировки выбранного насоса.

После завершения строительства были проведены пусковые испытания переносного генератора. Переносной генератор отключился от перегрузки и не смог запустить насос.Была предпринята еще одна попытка запустить насос на переносном генераторе, и снова она не удалась.

Что пошло не так? Был ли генератор ненадлежащего размера и не мог работать с насосом?

При рассмотрении расчетов размеров генератора и пусковой способности выбранного портативного генератора стало очевидно, что полевая проверка настроек, элементов управления и принадлежностей портативного генератора, реализованных в SSRVS, может дать ответ на вопрос, почему портативный генератор вышел из строя. .

В ходе полевой проверки выявлено:

  • Ограничение тока SSRVS и время разгона не были установлены должным образом, что привело к высокому пусковому току, превышающему пусковые возможности двигателя генератора.
  • Переносной возбудитель генератора был самовозбуждающим, а не указанным типом PMG, что ограничивало возможность запуска двигателя.

После устранения обоих недостатков пусковые испытания переносного генератора были успешно выполнены. В этом случае ввод в эксплуатацию будет более практичным подходом, чем пусковые испытания, которые ограничиваются проверкой работы предоставленного оборудования в соответствии с конструкцией и спецификациями производителя и не учитывают эксплуатационные требования системы.Ввод в эксплуатацию, который часто путают с тестированием при запуске, — это процесс проверки того, что все оборудование и компоненты системы спроектированы, установлены, испытаны, эксплуатируются и обслуживаются в соответствии с эксплуатационными требованиями.


Ссылки

NFPA 20: Установка стационарных насосов для противопожарной защиты

NFPA 70: Национальный электротехнический кодекс

NFPA 99: Код медицинских учреждений

NFPA 101: Код безопасности жизнедеятельности

NFPA 110: Стандарт для систем аварийного и резервного питания охватывает

Генератор работает без мощной электроники

Один исследователь из России считает, что у него есть способ получения энергии из ветряных турбин и других вращающихся устройств, который является сверхэффективным благодаря устранению какой-либо промежуточной электроники преобразования энергии.

Основная идея, как описал Сергей Ганджа из Южно-Уральского государственного университета, состоит в том, чтобы регулировать выходную мощность генератора путем добавления или вычитания магнитного потока. В его схеме постоянные магниты генерируют большую часть потока. Затем более мелкие электромагниты управляются таким образом, чтобы добавлять или вычитать из потока PM, чтобы получить желаемый выходной сигнал.

% {[data-embed-type = «image» data-embed-id = «5df27717f6d5f267ee27f6d9» data-embed-element = «aside» data-embed-align = «left» data-embed-alt = «Machinedesign Com Sites Machinedesign com Загрузка файлов 2013 10 Дизель-генератор «data-embed-src =» https: // base.imgix.net/files/base/ebm/machinedesign/image/2013/10/machinedesign_com_sites_machinedesign.com_files_uploads_2013_10_diesel_generator.png?auto=format&fit=max&w=1440% использует генератор с питанием от данных, встраиваемый в дизельное топливо, A-caption = «»] Схема регулировки потока для выработки энергии. Ниже в разобранном виде ротор и статор.

Ганджа разработал генератор постоянного тока, в котором используется этот метод. Он говорит, что та же самая концепция может быть использована для создания генераторов, которые подключаются непосредственно к электросети без необходимости использования преобразующей электроники.По его словам, в результате повышение эффективности может быть значительным.

В обычных вращающихся генераторах или генераторах переменного тока выходное напряжение растет вместе со скоростью вращения ротора просто потому, что выходное напряжение пропорционально изменению магнитного потока согласно уравнениям Максвелла. Для генераторов постоянного тока результирующий выходной переменный ток обычно выпрямляется в постоянный ток с помощью силовых полупроводников. Для генераторов переменного тока изменяющееся переменное напряжение обычно выпрямляется в постоянное, а затем преобразуется обратно в синхронизированный с сетью переменный ток с помощью инвертора.Но эти преобразования требуют значительных затрат на оборудование и энергию при работе с уровнями мощности, которые характерны для ветряных турбин коммунального масштаба.

% {[data-embed-type = «image» data-embed-id = «5df27717f6d5f267ee27f6db» data-embed-element = «aside» data-embed-align = «left» data-embed-alt = «Machinedesign Com Sites Machinedesign com Загрузка файлов 2013 10 Статор «data-embed-src =» https://base.imgix.net/files/base/ebm/machinedesign/image/2013/10/machinedesign_com_sites_machinedesign.com_files_uploads_2013_10_stator.png? auto = format & fit = max & w = 1440 «data-embed-caption =» «]}% Статор дизельного генератора, созданного в Южно-Уральском государственном университете.

Ганджа думает, что его метод устранит необходимость вмешательства в преобразование постоянного и переменного тока и инверторную электронику. Он говорит, что зарядное устройство на 8 кВт, построенное в ЮУрГУ по его идеям, генерировало постоянное напряжение 28 В постоянного тока в широком диапазоне скоростей вращения. Исследователи управляли электромагнитами, используя только схему возбуждения малой мощности.

Успех Ганджи с генератором постоянного тока заставляет его думать, что генератор переменного тока, использующий те же принципы, будет работать хорошо.Но ему еще предстоит собрать полное устройство переменного тока. Его исследовательская группа собрала для тестирования части генератора переменного тока, в которых используются контактные кольца и внешние генераторы сигналов для генерации сигналов возбуждения для электромагнитов. Когда он будет завершен, генератор переменного тока будет размещать маломощную электронику возбуждения на самом роторе. Такой подход устраняет щетки и контактные кольца.

% {[data-embed-type = «image» data-embed-id = «5df27717f6d5f267ee27f6dd» data-embed-element = «aside» data-embed-align = «left» data-embed-alt = «Machinedesign Com Sites Machinedesign com Загрузка файлов 2013 10 Российская электрическая схема 0 «data-embed-src =» https: // base.imgix.net/files/base/ebm/machinedesign/image/2013/10/machinedesign_com_sites_machinedesign.com_files_uploads_2013_10_russian_circuit_diagram_0.png?auto=format&fit=max&w=1440 «data-embed-caption» генератор данных-встраиваемых данных «ставит% = 1440» data-aczha «дизайн-заголовок для G-генератора» data-embed «} цепи питания электромагнита возбуждения на роторе.

Ганджа работает с Empire Magnetics Inc. в Калифорнии над будущими разработками. Группа пытается получить дополнительное финансирование, чтобы завершить разработку и произвести больше прототипов.

Как генератор вырабатывает электричество? Статья о том, как работают генераторы

Генераторы

— это полезные устройства, которые подают электроэнергию во время отключения электроэнергии и предотвращают прерывание повседневной деятельности или прерывание бизнес-операций. Генераторы доступны в различных электрических и физических конфигурациях для использования в различных приложениях. В следующих разделах мы рассмотрим, как работает генератор, основные компоненты генератора и как генератор работает в качестве вторичного источника электроэнергии в жилых и промышленных помещениях.

Как работает генератор?

Электрический генератор — это устройство, которое преобразует механическую энергию, полученную от внешнего источника, в электрическую энергию на выходе.

Важно понимать, что генератор на самом деле не «создает» электрическую энергию. Вместо этого он использует подводимую к нему механическую энергию, чтобы заставить движение электрических зарядов, присутствующих в проводе его обмоток, через внешнюю электрическую цепь.Этот поток электрических зарядов составляет выходной электрический ток, подаваемый генератором. Этот механизм можно понять, рассматривая генератор как аналог водяного насоса, который вызывает поток воды, но на самом деле не «создает» воду, текущую через него.

Современный генератор работает на принципе электромагнитной индукции, открытом Майклом Фарадеем в 1831-32 гг. Фарадей обнаружил, что вышеупомянутый поток электрических зарядов может быть вызван перемещением электрического проводника, такого как провод, содержащий электрические заряды, в магнитном поле.Это движение создает разность напряжений между двумя концами провода или электрического проводника, что, в свою очередь, вызывает протекание электрических зарядов, генерируя электрический ток.

Основные компоненты генератора

Основные компоненты электрогенератора можно в общих чертах классифицировать следующим образом:

  • Двигатель
  • Генератор
  • Топливная система
  • Регулятор напряжения
  • Системы охлаждения и выхлопа
  • Система смазки
  • Зарядное устройство
  • Панель управления
  • Основной узел / рама
Описание основных компонентов генератора приведено ниже.
Двигатель

Двигатель является источником подводимой механической энергии к генератору. Размер двигателя прямо пропорционален максимальной выходной мощности, которую может выдать генератор. При оценке двигателя вашего генератора необходимо учитывать несколько факторов. Для получения полных рабочих характеристик двигателя и графиков технического обслуживания необходимо проконсультироваться с производителем двигателя.

(a) Тип используемого топлива — двигатели генераторов работают на различных видах топлива, таких как дизельное топливо, бензин, пропан (в сжиженном или газообразном виде) или природный газ. Меньшие двигатели обычно работают на бензине, в то время как более крупные двигатели работают на дизельном топливе, жидком пропане, пропане или природном газе. Некоторые двигатели также могут работать на двойной подаче дизельного и газового топлива в двухтопливном режиме.

(b) Двигатели с верхним расположением клапанов (OHV) по сравнению с двигателями без OHV — двигатели с верхним расположением клапанов отличаются от других двигателей тем, что впускные и выпускные клапаны двигателя расположены в головке цилиндра двигателя, а не на двигателе. блокировать.Двигатели OHV имеют ряд преимуществ перед другими двигателями, такими как:

• Компактная конструкция
• Более простой рабочий механизм
• Прочность
• Удобство эксплуатации
• Низкий уровень шума при работе
• Низкий уровень выбросов

Однако OHV-двигатели также дороже других двигателей.

(c) Чугунная гильза (CIS) в цилиндре двигателя — CIS — это накладка в цилиндре двигателя.Это снижает износ и обеспечивает долговечность двигателя. Большинство двигателей OHV оснащены системой CIS, но очень важно проверить наличие этой особенности в двигателе генератора. CIS — это не дорогая функция, но она играет важную роль в долговечности двигателя, особенно если вам нужно использовать генератор часто или в течение длительного времени.

Генератор

Генератор переменного тока, также известный как «генератор», является частью генератора, который вырабатывает электрическую мощность за счет механического входа, подаваемого двигателем.Он содержит набор неподвижных и подвижных частей, заключенных в корпус. Компоненты работают вместе, вызывая относительное движение между магнитным и электрическим полями, которое, в свою очередь, генерирует электричество.

(а) Статор — это стационарный компонент. Он содержит набор электрических проводников, намотанных катушками на железный сердечник.

(b) Ротор / Якорь — это движущийся компонент, который создает вращающееся магнитное поле одним из следующих трех способов:

(i) Индукционным способом — они известны как бесщеточные генераторы переменного тока и обычно используются в больших генераторах.
(ii) Постоянными магнитами — это обычное дело в небольших генераторах переменного тока.
(iii) Использование возбудителя. Возбудитель представляет собой небольшой источник постоянного тока (DC), который питает ротор через совокупность токопроводящих контактных колец и щеток.

Ротор создает движущееся магнитное поле вокруг статора, которое вызывает разность напряжений между обмотками статора. Это производит переменный ток (AC) на выходе генератора.

При оценке генератора переменного тока необходимо учитывать следующие факторы:

(a) Металлический корпус по сравнению с пластиковым корпусом — цельнометаллическая конструкция обеспечивает долговечность генератора.Пластиковые корпуса со временем деформируются, что приводит к обнажению движущихся частей генератора. Это увеличивает износ и, что более важно, опасно для пользователя.

(b) Шариковые подшипники по сравнению с игольчатыми подшипниками. Шариковые подшипники предпочтительнее и служат дольше.

(c) Бесщеточная конструкция — генератор переменного тока, в котором не используются щетки, требует меньшего обслуживания, а также производит более чистую мощность.

Топливная система

Топливный бак обычно имеет достаточную емкость, чтобы генератор работал в среднем от 6 до 8 часов.В случае небольших генераторных установок топливный бак является частью опорной рамы генератора или устанавливается наверху рамы генератора. Для коммерческого использования может потребоваться установка внешнего топливного бака. Все подобные установки должны быть одобрены Управлением городского планирования. Щелкните следующую ссылку для получения дополнительных сведений о топливных баках для генераторов.

Общие характеристики топливной системы включают следующее:

(a) Соединение трубопровода от топливного бака к двигателю — линия подачи направляет топливо из бака в двигатель, а обратная линия направляет топливо от двигателя в бак.

(b) Вентиляционная труба для топливного бака — Топливный бак имеет вентиляционную трубу для предотвращения повышения давления или вакуума во время заправки и опорожнения бака. При заправке топливного бака следите за тем, чтобы между заправочной форсункой и топливным баком был металлический контакт, чтобы избежать искр.

(c) Переливное соединение от топливного бака к сливной трубе — это необходимо для того, чтобы любой перелив во время заправки бака не вызывал разлив жидкости на генераторную установку.

(d) Топливный насос — перекачивает топливо из основного накопительного бака в дневной.Топливный насос обычно работает от электричества.

(e) Топливный водоотделитель / топливный фильтр — он отделяет воду и посторонние вещества от жидкого топлива для защиты других компонентов генератора от коррозии и загрязнения.

(f) Топливная форсунка — распыляет жидкое топливо и распыляет необходимое количество топлива в камеру сгорания двигателя.


Регулятор напряжения
Как следует из названия, этот компонент регулирует выходное напряжение генератора.Механизм описан ниже для каждого компонента, который участвует в циклическом процессе регулирования напряжения.

(1) Регулятор напряжения: преобразование переменного напряжения в постоянный ток — регулятор напряжения принимает небольшую часть выходного переменного напряжения генератора и преобразует его в постоянный ток. Затем регулятор напряжения подает этот постоянный ток на набор вторичных обмоток статора, известных как обмотки возбудителя.

(2) Обмотки возбудителя: преобразование постоянного тока в переменный — теперь обмотки возбудителя работают аналогично первичным обмоткам статора и генерируют небольшой переменный ток.Обмотки возбудителя подключены к блокам, известным как вращающиеся выпрямители.

(3) Вращающиеся выпрямители: преобразование переменного тока в постоянный — они выпрямляют переменный ток, генерируемый обмотками возбудителя, и преобразуют его в постоянный ток. Этот постоянный ток подается на ротор / якорь для создания электромагнитного поля в дополнение к вращающемуся магнитному полю ротора / якоря.

(4) Ротор / якорь: преобразование постоянного тока в переменное напряжение — ротор / якорь теперь индуцирует большее переменное напряжение на обмотках статора, которое генератор теперь производит как большее выходное переменное напряжение.

Этот цикл продолжается до тех пор, пока генератор не начнет выдавать выходное напряжение, эквивалентное его полной рабочей мощности. По мере увеличения выходной мощности генератора регулятор напряжения вырабатывает меньше постоянного тока. Когда генератор достигает полной рабочей мощности, регулятор напряжения достигает состояния равновесия и вырабатывает постоянный ток, ровно столько, чтобы поддерживать выходную мощность генератора на полном рабочем уровне.

Когда вы добавляете нагрузку к генератору, его выходное напряжение немного падает.Это вызывает действие регулятора напряжения, и начинается вышеуказанный цикл. Цикл продолжается до тех пор, пока выходная мощность генератора не достигнет своей первоначальной полной рабочей мощности.

Система охлаждения и выпуска
(а) Система охлаждения
Продолжительное использование генератора вызывает нагрев различных его компонентов. Очень важно иметь систему охлаждения и вентиляции для отвода тепла, выделяемого в процессе.

Неочищенная / пресная вода иногда используется в качестве охлаждающей жидкости для генераторов, но в основном это ограничивается конкретными ситуациями, такими как небольшие генераторы в городских условиях или очень большие агрегаты мощностью более 2250 кВт и выше.Водород иногда используется в качестве хладагента для обмоток статора больших генераторных установок, поскольку он более эффективно поглощает тепло, чем другие хладагенты. Водород отводит тепло от генератора и передает его через теплообменник во вторичный контур охлаждения, который содержит деминерализованную воду в качестве хладагента. Вот почему очень большие генераторы и малые электростанции часто имеют рядом с собой большие градирни. Для всех других распространенных применений, как жилых, так и промышленных, стандартный радиатор и вентилятор устанавливаются на генераторе и работают как основная система охлаждения.

Необходимо ежедневно проверять уровень охлаждающей жидкости в генераторе. Систему охлаждения и насос неочищенной воды следует промывать через каждые 600 часов, а теплообменник следует очищать через каждые 2400 часов работы генератора. Генератор следует размещать на открытом и вентилируемом месте с достаточным притоком свежего воздуха. Национальный электротехнический кодекс (NEC) требует, чтобы со всех сторон генератора оставалось минимум 3 фута, чтобы обеспечить свободный поток охлаждающего воздуха.

(б) Выхлопная система
Выхлопные газы, выделяемые генератором, такие же, как выхлопные газы любого другого дизельного или газового двигателя, и содержат высокотоксичные химические вещества, с которыми необходимо обращаться должным образом. Следовательно, важно установить соответствующую выхлопную систему для удаления выхлопных газов. Этот момент невозможно переоценить, поскольку отравление угарным газом остается одной из наиболее частых причин смерти в пострадавших от урагана районах, потому что люди, как правило, даже не думают об этом, пока не становится слишком поздно.

Выхлопные трубы обычно изготавливаются из чугуна, кованого железа или стали. Они должны быть отдельно стоящими и не должны поддерживаться двигателем генератора. Выхлопные трубы обычно присоединяются к двигателю с помощью гибких соединителей, чтобы минимизировать вибрации и предотвратить повреждение выхлопной системы генератора. Выхлопная труба заканчивается снаружи и ведет от дверей, окон и других отверстий в дом или здание. Вы должны убедиться, что выхлопная система вашего генератора не подключена к выхлопной системе любого другого оборудования.Вам также следует проконсультироваться с местными городскими постановлениями, чтобы определить, нужно ли для эксплуатации вашего генератора получать разрешение от местных властей, чтобы убедиться, что вы соблюдаете местное законодательство и защитите себя от штрафов и других санкций.


Смазочная система
Поскольку генератор содержит движущиеся части в своем двигателе, он требует смазки для обеспечения долговечности и бесперебойной работы в течение длительного периода времени. Двигатель генератора смазывается маслом, хранящимся в насосе.Уровень смазочного масла следует проверять каждые 8 ​​часов работы генератора. Вы также должны проверять отсутствие утечек смазки и менять смазочное масло каждые 500 часов работы генератора.


Зарядное устройство
ST e art функция генератора работает от батареи. Зарядное устройство поддерживает заряд аккумуляторной батареи генератора, подавая на нее точное «плавающее» напряжение. Если напряжение холостого хода очень низкое, аккумулятор останется недозаряженным.Если напряжение холостого хода очень высокое, это сократит срок службы батареи. Зарядные устройства для аккумуляторов обычно изготавливаются из нержавеющей стали для предотвращения коррозии. Они также полностью автоматические и не требуют каких-либо регулировок или изменений каких-либо настроек. Выходное напряжение постоянного тока зарядного устройства установлено на уровне 2,33 В на элемент, что является точным значением напряжения холостого хода для свинцово-кислотных аккумуляторов. Зарядное устройство аккумулятора имеет изолированный выход постоянного напряжения, который мешает нормальному функционированию генератора.


Панель управления
Это пользовательский интерфейс генератора, в котором находятся электрические розетки и элементы управления. В следующей статье представлены дополнительные сведения о панели управления генератором. Различные производители предлагают различные функции в панелях управления своих устройств. Некоторые из них упомянуты ниже.

(a) Электрический запуск и отключение — панели управления автоматическим запуском автоматически запускают ваш генератор при отключении электроэнергии, контролируют генератор во время работы и автоматически отключают агрегат, когда он больше не нужен.

(b) Манометры двигателя. Различные датчики показывают важные параметры, такие как давление масла, температура охлаждающей жидкости, напряжение аккумуляторной батареи, скорость вращения двигателя и продолжительность работы. Постоянное измерение и мониторинг этих параметров позволяет автоматически отключать генератор, когда любой из них превышает соответствующие пороговые уровни.

(c) Датчики генератора. На панели управления также есть счетчики для измерения выходного тока и напряжения, а также рабочей частоты.

(d) Другие элементы управления — переключатель выбора фазы, переключатель частоты и переключатель управления двигателем (ручной режим, автоматический режим) среди прочего.

Основной узел / рама

Все генераторы, переносные или стационарные, имеют индивидуальные корпуса, которые обеспечивают структурную опору основания. Рама также позволяет заземлить генерируемые элементы в целях безопасности.

Резервный генератор

| Электротехнические услуги

Генераторы постоянного резерва Конструкция: Генератор постоянного резерва от New York Engineers, возможно, является одним из самых надежных и долговечных типов генераторов.Генераторы могут эффективно определять, когда происходит сбой питания или когда есть аномалии в питании, и почти мгновенно предоставлять альтернативу. Они устанавливаются в здании или в комнате, где они сидят и ждут отключения электроэнергии

Поскольку они являются постоянными, эти генераторы имеют подходящее конструктивное преимущество для дозаправки. Большинство домовладельцев или компаний устанавливают топливную трубу непосредственно на генератор, что позволяет генератору заправляться топливом без вмешательства человека. Такой дизайн позволяет владельцам компаний и домовладельцам чувствовать себя в безопасности и комфортно, не беспокоясь о том, чтобы время от времени заправляться топливом.Он особенно надежен в случае отключения электричества или во время шторма, либо при нехватке топлива, либо при неблагоприятных погодных условиях для езды.

Хотя это самые мощные, эффективные и надежные генераторы, их установка может оказаться довольно дорогой.

Переносные генераторы Конструкция: Переносные генераторы — следующий вариант для тех, кто не может позволить себе постоянные генераторы или хотел бы иметь преимущества, которые дает переносные генераторы.Переносные генераторы могут делать почти все, что и постоянные генераторы. За исключением того, что эти генераторы не подключены к источнику топлива, и их нужно заправлять очень время от времени.

Эти генераторы тоже несколько маломощны. Они не обеспечивают автоматическое покрытие, как постоянный генератор. Однако эффективная конструкция генераторов — лучший выбор для областей, где перебои в подаче электроэнергии случаются редко, а также стоят дешевле, чем постоянные.

Дизельные генераторы Конструкция: Дизельные генераторы резервного питания — одни из самых мощных генераторов, доступных на рынке.Тщательно спроектированные генераторы нуждаются в постоянном топливном баке, который необходимо устанавливать вместе с ним. Затем этот топливный бак должен быть заполнен дизельным топливом, которое будет приводить в действие генератор и вырабатывать электроэнергию при отключении электроэнергии.

Тем не менее, основным недостатком при проектировании генераторов такого типа является подача топлива во время длительных отключений. По мере того, как топливо начинает израсходоваться, бак начинает опустошаться. Из-за внезапного использования всего топлива потребуется больше топлива.

Когда спрос на топливо возрастает, цены повышаются, и может стать дорого поддерживать его работу в течение нескольких часов или дней в случае длительного отключения. Наша эффективная конструкция позволяет своевременно определять уровни топлива, чтобы вы могли планировать соответственно затраты и количество.

Генераторы , работающие на природном газе или жидком пропане. Конструкция: . Эти генераторы подходят для тех случаев, когда они будут использоваться в условиях частых перебоев в подаче электроэнергии или отключений электроэнергии. Поскольку они подключены непосредственно к источнику топлива, вам не нужно беспокоиться о том, что вам придется время от времени дозаправляться.

Резервные генераторы, работающие на природном газе или жидком пропане, являются наиболее надежными из имеющихся генераторов. Конструкция этих генераторов требует подключения к линии подачи топлива, необходимой для их питания. Они не требуют настройки, а затем и установки большого топливного бака, что разнообразит конструкцию.

Однако, если коммунальная компания внезапно решит отключить подачу или если система электроснабжения будет повреждена, тогда нет абсолютно никакого способа запитать генератор.Для многих это может быть огромным неудобством, но важно помнить, что шансы на то, что это произойдет, практически отсутствуют.

Генераторы с воздушным охлаждением Конструкция: Большинство резервных генераторов имеют тенденцию к перегреву, когда они обеспечивают постоянную мощность. Наш проект реализован для установки системы охлаждения, позволяющей защитить себя от перегрева. Один из наиболее распространенных способов сделать это — разместить вентиляторы внутри корпуса генератора, что позволяет ему нагнетать воздух по всему агрегату.Холодный воздух выдувается с одного конца, а горячий — с другого. Это охладит его и предотвратит перегрев.

Генераторы с жидкостным охлаждением Конструкция: В некоторых вариантах используется радиатор как система, которая позволяет генератору охлаждаться. Наши инженеры изготавливают специальную конструкцию трубы, по которой течет холодная жидкость. Радиаторная система аналогична автомобильной. Эти генераторы с жидкостным охлаждением способны бороться с перегревом намного эффективнее, чем другие типы генераторов.

границ | Конструкция микрожидкостного концентрического генератора градиента для высокопроизводительных клеточных исследований

Введение

Градиенты диффундирующих сигнальных молекул играют важную роль во многих процессах, как биологических, так и химических. Например, было показано, что передача сигналов биохимического градиента, такая как факторы роста и гормоны, может приводить к направленной миграции клеток и хемотаксису (Ahmed et al., 2010; Lee et al., 2011). Преимущественно в процессах биологического развития понятие градиента морфогенов тесно связано с парадигмами определения местоположения, дифференцировки и судьбы клетки (Cosson and Lutolf, 2015).Химические градиенты также широко используются при скрининге токсичности, когда влияние различных концентраций лекарств на функцию клеток анализируется для построения кривых доза-ответ (Prill et al., 2016). Следовательно, существует большой интерес к платформам, которые могут поддерживать переменные, стабильные временные градиенты (Kim et al., 2010; Somaweera et al., 2016).

С тех пор, как Whitesides и его коллеги предложили в 1999 году использовать микрожидкостную технологию для генерации градиента (Takayama et al., 1999), появились различные конструкции, показывающие многообещающий потенциал в качестве мощной и универсальной технологии для точного контроля пространственно-временных условий (Weibel and Whitesides, 2006). .Как правило, были разработаны две парадигмы конструкции микрожидкостных устройств, генерирующих градиент: на основе потока и на основе диффузии (Chung and Choo, 2010). Устройства на основе потока используют ламинарный поток и диффузное перемешивание для создания химического градиента. Некоторые платформы основаны на последовательном смешивании и разделении раствора в микроканале, что приводит к стабильному градиенту концентрации в одном отсеке (Somaweera et al., 2016). В других конструкциях используются микрожидкостные «форсунки», закачка небольших количеств (мкл) жидкости в открытый бассейн для создания градиентов на открытых поверхностях (Keenan et al., 2006). Эти платформы ограничены своей неспособностью минимизировать гемодинамические силы, воздействующие на клетки, и их несовместимостью для создания профилей градиента в трехмерных (3-D) каркасах.

Устройства на основе диффузии используют схемы распределения растворов для создания градиента, позволяющего молекулярную диффузию между двумя непрерывно пополняемыми каналами химическими растворами и простой средой. Были предложены различные конструкции диффузионных микрожидкостных устройств, генерирующих градиент.Кинан и др. (2010) представили конструкцию взаимосвязанного трехкамерного устройства. Хотя эта конструкция обеспечивает стабильный градиент на основе диффузии, он может генерировать только один градиент в одной камере. Irimia et al. (2006) использовали серию параллельных разделителей в продольном направлении микрофлюидного канала, чтобы ограничить диффузию между двумя начальными параллельными потоками различных концентраций, создавая химический градиент в направлении, поперечном к каналу. Ли и др. (2007) продемонстрировали создание линейных и нелинейных градиентов концентрации вдоль микрофлюидного канала с использованием контролируемого компьютером добавления образцов в канал.Atencia et al. (2009) разработали устройство под названием «микрофлюидная палитра», которое способно генерировать несколько пространственных химических градиентов одновременно внутри одной камеры. Хотя эти конструкции позволяют создавать сложные градиентные узоры, они ограничиваются созданием узора в одной камере. В других конструкциях используются жесткие мембраны и гидрогели для ограничения потока при одновременной диффузии (Liu et al., 2012). В то время как гидрогели особенно привлекательны, потому что они поддерживают трехмерные клеточные структуры и миграцию, существующие конструкции ограничены в пропускной способности и имеют ограниченную динамику градиентных временных условий из-за медленного времени диффузии.

Здесь мы предлагаем инновационную микрофлюидную конструкцию, способную быстро генерировать различные химические градиенты в нескольких каналах с уравновешенным давлением, каждый из которых может быть засеян разными клеточными линиями. Эта управляемая компьютером, автоматизированная конструкция давления состоит из 12 круглых каналов для различных клеточных линий и 8 каналов излучающих стимулов, обеспечивая массив из 96 градиентов, которые можно отслеживать в реальном времени одновременно, и позволяя измерять многочисленные точки данных в различных временных рамках.

Методы

Численное моделирование

Вычислительная гидродинамическая модель (CFD) использовалась для моделирования генерации градиента посредством химической диффузии в трехмерной модели устройства. Геометрия была разработана с использованием AutoCAD и построена с использованием тетраэдрических элементов 5 мкм (очень мелкая сетка). Моделирование CFD проводилось с помощью Comsol Multi-Physics 4.3b, объединяющего стационарный модуль Навье – Стокса для гидродинамики с моделью конвекции и диффузии для переноса разбавленных веществ.Концентрация химического вещества на входе была установлена ​​равной 1 моль / м 3 с коэффициентом диффузии ( D ) 1,8 × 10 9 м 2 / с. Плотность жидкости была определена как 10 3 кг / м 3 с динамической вязкостью 10 3 Па · с.

Производство устройств

Устройство было изготовлено с использованием фотолитографических форм. Сначала были созданы слой реагента 60 мкм и слой клеток 40 мкм с использованием оплавленного положительного фоторезиста AZ-4652 (Micro-Chem, Массачусетс, США) и отрицательного фоторезиста SU-8 (Micro-Chem, Массачусетс, США). соответственно.Оба рисунка нанесены на одну кремниевую пластину. Слой оплавленного реагента создает круговой канал, обеспечивающий его плотное уплотнение, как было ранее описано Melin and Quake (2007). Затем контрольный слой толщиной 40 мкм, который состоит из одного микроструктурированного комплекса каналов с регулируемым давлением воздуха, был отлит на другой кремниевой пластине и изготовлен отдельно. Обе формы были изготовлены в чистой комнате класса 100 (Центр нанонауки и нанотехнологий HUJI). Контрольный слой был отлит методом точной формовки PDMS (Sylgard 184; Dow Corning, MI, США).Слой потока был покрыт методом центрифугирования PDMS, что позволяет точно контролировать толщину слоя. Контрольный слой был выровнен поверх слоя потока, образуя мембраны от 5 до 6 мкм, где каналы управления и потока пересекаются ортогонально, создавая прижимной клапан. Слои были связаны друг с другом посредством диффузии отвердителя. Процесс был ранее подробно описан Melin and Quake (2007).

Управление устройствами и визуализация

Перфузия

управлялась с помощью встроенного микрожидкостного контроллера на базе микропроцессора Microsoft Gadgeteer (GHI Electronics, MI, США), который может настраивать регуляторы давления и настраивать выпускные отверстия коллекторов через аналоговые и цифровые выходы.Система управления подробно описана в Ezra et al. (2015). Регуляторы давления и коллекторы были приобретены в Festo, Израиль. Контейнеры для жидкости под давлением были приобретены у Fluigent, UK. Изображение устройства получали с помощью флуоресцентной микроскопии LSM700 (Zeiss, Германия) и перфузировали Родамином в разведении 1:50 (2 × 10 6 частиц / мл) (Sigma-Aldrich, Израиль) при скоростях от 0,001 до 0,1 м / с. Результаты были количественно определены с использованием программного обеспечения Zeiss ZEN.

Культура клеток

Устройство было предварительно покрыто 860 мкг / мл коллагена крысиного хвоста типа I (BD Biosciences, Калифорния, США), разведенным в 0.02 н. Уксусная кислота. Клетки Caco-2 (ATCC, VA, USA) перфузировали в устройство в концентрации 14 миллионов клеток / мл при скорости потока 25 мкл / мин. Клетки инкубировали в устройстве с ежедневной сменой среды в течение 7 дней в инкубаторе с увлажнением с 5% CO 2 при 37 ° C. На 7-й день жизнеспособность клеток количественно оценивали с помощью анализа жизнеспособности LIVE / DEAD (Invitrogen Life Sciences, Калифорния, США), в котором цитоплазма живых клеток накапливала зеленый флуоресцентный кальцеин из-за активности эстеразы, а ядра мертвых клеток помечались. красный из-за гомодимера этидия из-за потери целостности ядерной мембраны.Клетки были количественно определены с помощью ImageJ.

Результаты

Устройство и работа

Наш дизайн создает различные концентрации различных стимуляторов на множестве различных клеточных линий. Устройство состоит из трех слоев: слоя реагента и слоя клетки (рис. 1A, B), которые представляют собой составной слой, сформированный путем совмещения расположения клеток и реагентов друг над другом (рис. 1C), и контрольного слоя (рис. 1C). 1D), который изготавливается отдельно, а затем выравнивается и приклеивается поверх слоя потока для создания собранного устройства (рис. 1E).Устройство состоит из массива круглых каналов, которые могут быть заполнены различными линиями клеток. Чтобы иметь возможность засеять разные клеточные линии в каждом из концентрических каналов, был разработан микроструктурированный переключатель, приводимый в действие одним давлением. Конструкция переключателя может герметизировать все пересечения между концентрическими каналами и проточными каналами за одно нажатие в виде клапана с выталкиванием вниз (рис. 2). В нашей конструкции круглые каналы попеременно пересекаются множеством прямых каналов, доставляющих высококонцентрированные химические вещества и буфер к середине устройства.Таким образом создается массив диффузных градиентов. Схема изготовления конструкции проиллюстрирована на рисунке 3. В отличие от круглых каналов реагентов, каналы клеток имеют прямоугольную форму, что создает однородные условия для засеянных клеток. Отметим, что минимальная разница давлений в 4–5 Па между регулирующим и проточным каналами важна для получения герметичного уплотнения, как будет показано ниже. Размеры поперечного сечения составляют 40 мкм × 30 мкм и 60 мкм × 60 мкм для клеток и каналов реагентов соответственно.Размер устройства 40 мм × 50 мм (вид сверху). Минимальный размер элемента 30 мкм.

Рисунок 1. Механическая конструкция устройства . Устройство состоит из трех слоев: слоя реагента (A), и слоя клеток (B), , которые выровнены друг над другом, чтобы создать составной слой потока (C), ; и слой управления (D), , который изготавливается отдельно, а затем выравнивается и склеивается поверх слоя потока для создания собранного устройства (E) .Химические реагенты перфузируются в слое реагентов, а клетки культивируются в слое клеток, где формируются градиенты.

Рис. 2. Схема микромеханического клапана «нажимного типа» . Мембрана образуется на пересечении регулирующего и проточного каналов, образуя прижимной клапан.

Рисунок 3. Изготовление устройства . Сначала создают слой реагента и слой ячеек с использованием оплавленного положительного фоторезиста и отрицательного фоторезиста соответственно.Оба рисунка нанесены на одну кремниевую пластину. Контрольный слой формируется на другой кремниевой пластине и изготавливается отдельно. Каждый слой отливается отдельно путем точного формования PDMS. Слой управления выровнен поверх слоя потока, образуя мембраны, где каналы управления и потока пересекаются ортогонально, создавая прижимной клапан.

После изготовления, работа устройства включает три основных этапа: (1) подготовка устройства, (2) посев клеток (рис. 4A) и (3) создание градиента (рис. 4B).Во-первых, устройство покрывается 2% Pluronics F68 (P5556; Sigma-Aldrich), который снижает прилипание частиц к поверхности стекла и PDMS (пассивация поверхности). Далее приводится в действие канал управления, отделяющий концентрические каналы ячеек друг от друга. Клеточные линии перфузируют в каждый концентрический канал и засевают до желаемого уровня конфлюэнтности. Наконец, контрольный слой снимается, и высококонцентрированные химикаты / буфер перфузируются через каналы реагентов, создавая линейные градиенты поверх засеянных клеток.

Рис. 4. Иллюстрация фаз посева клеток и создания градиента. (A) На этапе посева клеток активируется канал управления (синий), отделяющий концентрические каналы клеток (красный) друг от друга. Клеточные линии перфузируются и засеваются до желаемого уровня конфлюэнтности в каждом концентрическом канале. (B) На этапе создания градиента контрольный слой (синий) снимается, и высококонцентрированные химические вещества (красный) / буфер (прозрачный) перфузируются через каналы реагентов, создавая линейные градиенты (оранжевый).

Анализ

Диффузия в направлении концентрических каналов ( x — направление) может быть описана с помощью закона Фика:

, где J x — поток частиц в направлении x , D — коэффициент диффузии частиц, а c — концентрация частиц. Предполагая, что концентрация изменяется только в направлении x , поддерживая постоянную концентрацию в направлении потока, и что концентрацией частиц в буферном растворе можно пренебречь, уравнение.1 можно привести к линейной форме:

, где c — начальная концентрация, поступающая в устройство, а l — местоположение по направлению x . В нашей конструкции оси x протянуты на дугах, соединяющих точки с высокой концентрацией с точками с низкой концентрацией в каждом концентрическом канале, где поток не очевиден. Следовательно, наша конструкция позволяет генерировать несколько линейных градиентов вдоль каждого концентрического канала. Обратите внимание, что каждый градиент создается дважды, по одному с каждой стороны от точки высокой концентрации.В нашем дизайне некоторые каналы перфузированы, а некоторые нет (области без потока). Скорость потока в перфузируемых каналах не имеет биологического значения, поскольку жидкость не действует на клетки. Тем не менее, скорость потока имеет значение при рассмотрении нашего базового предположения о незначительной разнице концентраций в направлении потока. Следовательно, желаемая скорость отвода потока должна быть получена из численной модели, которая инкапсулирует способность к диффузии и текучие свойства реагента.Интуитивно, учитывая время прохождения перфузируемой жидкости, чем выше скорость, тем более похожими будут результирующие градиенты. Поскольку каналы маленькие, изменениями точности можно пренебречь для большинства микрофлюидных приложений.

Чтобы проверить нашу конструкцию и оценить полученный градиент в каждом круге для анализа данных, мы численно смоделировали устройство в COMSOL Multi-Physics. Схема устройства показана на рисунке 5А. Результаты показывают, что давление уравновешивается в каждом из концентрических каналов, вызывая высокую скорость потока в каналах стимуляции и статическую среду в каналах клеток (Рисунки 5B, C).Нормализованная скорость по концентрическим каналам показана на рисунке 5C. Результаты были использованы для установки желаемой скорости потока отвода из каналов стимулов, чтобы гарантировать, что различные реагенты не смешиваются и что различиями концентраций в направлении потока можно пренебречь (<0,01), как было описано выше. В нашем эксперименте химическая концентрация на входе была установлена ​​равной 1 моль / м 3 с коэффициентом диффузии ( D ) 1,8 × 10 -9 м 2 / с. В этих условиях модель предсказывает, что незначительная разница концентраций в направлении потока достигается при давлении на входе 1 Па и выше.Прогноз модели показывает, что градиенты вдоль каждого из концентрических каналов линейны, как и ожидалось (рис. 5D).

Рисунок 5. Расчет и численное моделирование конструкции. (A) CAD устройства. Каналы потока окрашены в черный цвет, а каналы управления — в синий. Клапаны расположены в точках пересечения регулирующего и проточного слоев. (B, C) Поля давления и скорости, рассчитанные численно. Моделирование показывает, что давление потока уравновешивается в каждом из концентрических каналов, что приводит к высокой скорости потока в каналах стимуляции и отсутствию потока в концентрических каналах.Нормированная скорость по концентрическим каналам показана внизу разреза. Скорость была нормирована на максимальный расчетный расход. (D) Карта концентраций, рассчитанная численно. Результаты демонстрируют полученные линейные градиенты в каждом из концентрических каналов.

Экспериментальная проверка

Схема эксперимента показана на рисунках 6A, B. Вкратце, два регулятора давления использовались для создания дифференциала давления, необходимого для управления микрожидкостным переключателем и для перфузии химических стимулов.Жидкости проходили через резервуары с жидкостью под давлением. Поскольку наша конструкция состоит из 22 входных отверстий, которые должны перфузироваться одновременно, выход регулятора давления потока был разделен на два коллектора, каждый из которых управляется цифровым способом. Устройство постоянно контролировалось автоматической микроскопией.

Рисунок 6. Схема эксперимента. (A) Источник давления подключен к двум регуляторам давления, которые устанавливают срабатывание переключателя и давление потока. Давление потока связано с резервуарами с жидкостью под давлением и регулируется через два коллектора. (B) Устройство в сборе. Одновременно проточные каналы перфузируются красителем красного цвета. Каналы управления заполнены синей краской. Каналы потока одновременно перфузируются родамином, а порт отвода жидкости визуализируется с помощью флуоресцентной микроскопии. Изображение показывает картину перфузии альтернативных химических буферных растворов.

Чтобы проверить механизм переключения, переключатель был замкнут, в то время как Родамин — фторсодержащий краситель — был введен в каналы клеток при входном давлении 1 Па и концентрации 2 × 10 6 частиц / мл.Родамин перфузировали со скоростью от 0,001 до 0,1 м / с. Результаты показывают идеальное уплотнение каналов высотой 60 мкм (рис. 7A) при всех испытанных скоростях, когда перепад давления в 6 Па сохранялся с помощью управляемых цифровых регуляторов давления (Ezra et al., 2015). Чтобы проверить полученный градиент в устройстве, Родамин и буфер альтернативно вводили во входные отверстия устройства. Флуоресцентная визуализация выявила градиенты красителя, которые были созданы вдоль концентрических каналов.Результаты были количественно оценены с использованием программного обеспечения Zeiss ZEN и показывают линейные градиенты в соответствии с нашим моделированием и анализом. Поскольку сгенерированные градиенты одинаковы для каждой дуги, мы нормализовали длины дуги и измерили сгенерированные градиенты в фиксированных местах. Данные были усреднены, как показано на рисунке 7B. Эксперимент повторяли четыре раза и усредняли по всем созданным градиентам. Наконец, мы демонстрируем культуру клеток в устройстве (рис. 7C). Вкратце, клетки Caco-2 перфузировали, засевали и выдерживали в устройстве в течение 7 дней с ежедневной сменой среды.На 7-й день жизнеспособность клеток определяли количественно с использованием флуоресцентного анализа LIVE / DEAD. Анализ изображений показывает жизнеспособность> 85%.

Рисунок 7. Демонстрация срабатывания переключателя и создания градиента. (A) Концентрические каналы были перфузированы родамином (0,6 Па) при активации канала управления (6,6 Па). Флуоресцентное изображение показывает идеальное уплотнение каналов потока, что позволяет разделить все концентрические каналы во время посева клеток. (B) Стимулирующие каналы перфузировали альтернативной последовательностью родамин-буфер, создавая линейные градиенты родамина вдоль концентрических каналов.Флуоресцентная визуализация демонстрирует один из полученных градиентов (вверх). Уровень флуоресценции определяли количественно по всем концентрическим каналам. Длина каждой дуги была нормализована, а интенсивность флуоресценции измерялась в фиксированных точках (внизу). (C) Окрашивание LIFE / DEAD клеток Caco-2, которые культивировали в устройстве в течение 7 дней. Анализ изображений показывает жизнеспособность> 85% на 7-й день.

В этом предложенном дизайне 12 различных клеточных линий могут быть культивированы и подвергнуты воздействию 16 химических градиентов (поскольку каждый градиент создается дважды, создается 8 уникальных градиентов), достигая набора из 96 экспериментов на основе градиентов.В нашей экспериментальной установке фазовые и флуоресцентные изображения были захвачены в заранее запрограммированных местах дискретным образом, каждый градиент отслеживался в 8 неперекрывающихся областях, что дало 768 измерений за сканирование. Время для каждого измерения и сдвига местоположения составляет ~ 4 с, что дает время сканирования около часа. В нашей экспериментальной установке мы выполняли полное сканирование каждые 90 минут, получая 18 432 точки данных в 36-часовой экспериментальной матрице.

Обсуждение

Диффузионные сигнальные молекулы играют важную роль в различных процессах in vitro, /, in vivo, .Следовательно, были предприняты большие усилия для получения стабилизированных химических градиентов (Такаяма и др., 1999; Ким и др., 2010). Технология микрофлюидики обещает предоставить универсальную технологию для точного контроля пространственно-временных условий (Weibel and Whitesides, 2006). Были предложены различные конструкции для создания химических градиентов в микрофлюидических устройствах. Предоставляя мощные платформы для изучения явлений, вызванных градиентом, таких как клеточная дифференциация и процессы миграции, современные разработки часто имеют ограниченную пропускную способность.Некоторые ограничивают количество получаемых химических градиентов, а другие — количество типов клеток, одновременно подвергающихся градиентной стимуляции. Здесь мы использовали микромеханический клапан, приводимый в действие давлением (Melin and Quake, 2007), чтобы обеспечить простой посев различных популяций клеток в одном устройстве на одном этапе эксперимента, а затем создать массив стабильных градиентов на втором этапе. Наше устройство с цифровым управлением можно автоматизировать, синхронизируя различные фазы.

Наша система может быть использована для различных исследований.Например, отдельные линии клеток-репортеров GFP, включающие основные ядерные рецепторы, могут быть засеяны в каждый концентрический канал и затем подвергнуты воздействию в перпендикулярном направлении градиента множества факторов растворимых агонистов или антагонистов. Это создает трехмерную матрицу экспериментов, где каждая строка определяет динамический ответ нескольких ядерных рецепторов на градиент одного стимула, а каждый кружок определяет динамический ответ одного ядерного рецептора на градиенты нескольких стимулов. В основе этой технологии лежат конструкции GFP-репортера, которые создаются путем клонирования нескольких повторов элемента ответа ДНК перед индуцибельным минимальным промотором CMV (Sørensen et al., 2005). Связывание активной формы фактора транскрипции с его ответным элементом ДНК вызывает транскрипцию дестабилизированного copGFP с периодом полужизни 1 час, позволяя сигналу быстро снижаться при снижении активности. Сгенерированные градиенты могут быть количественно определены с помощью автоматической покадровой флуоресцентной микроскопии, что позволяет отслеживать в реальном времени и проводить измерения множества точек данных в любой заданный период времени. Результаты могут быть использованы, например, для моделирования связности и динамики транскрипционной сети (Levy et al., 2016). В наших руках устройство использовалось для культивирования huh7, апцитов и клеток HepG2 / C3A для анализа токсичности (амиодарон и ацетаминофен).

Мы хотели бы указать на два момента, касающихся создаваемых градиентов и изготовления. Во-первых, как диктует концентрическая природа каналов, размер сегментов ячеек становится меньше при переходе от внешнего сегмента к внутреннему. Следовательно, даже если каждый сегмент ячейки подвергается одному и тому же линейному градиенту, наклон градиента отличается в каждой сегментной дуге.Это соответствует нормализованному способу представления данных на рисунке 7B. Это следует учитывать при анализе результатов. В частности, считывание флуоресценции должно соответствовать точному расположению и идентичности сегментов клетки, из которых оно было взято. Мы также хотели бы отметить, что, поскольку каждый канал не может быть идентичным из-за ограничений микротехнологии, в некоторых устройствах корреляция перепада давления с градиентом концентрации не является точной. На наших предприятиях из-за неточностей изготовления 12% изготовленных устройств не генерировали всех градиентов и, следовательно, не работали в полную силу.Кроме того, в биологических исследованиях клетки или реагенты могут агрегироваться и влиять на диффузию. Смешивание 2% Pluronics F68 с низкой концентрацией может снизить образование агрегатов, а также прилипание частиц к стеклу и поверхностям PDMS.

Наконец, наше устройство с компьютерным управлением позволяет быстро генерировать несколько химических градиентов в многочисленных каналах, в которые можно засеять разные клеточные линии, создавая множество высокопроизводительных экспериментов, связанных с градиентами.

Авторские взносы

ET и YN разработали устройство, проанализировали результаты и написали рукопись; ET произвел численную оценку конструкции; ET и MZ провели экспериментальную оценку конструкции; ET, AE и IM изготовили устройство.

Заявление о конфликте интересов

Авторы заявляют, что исследование проводилось при отсутствии каких-либо коммерческих или финансовых отношений, которые могут быть истолкованы как потенциальный конфликт интересов.

Благодарности

Авторы хотели бы поблагодарить Эстер Левант за ее техническую помощь и доктора Дорон Гербер за его проницательные комментарии.

Финансирование

Эта работа финансировалась грантом консолидатора ERC (OCLD 681870), Инициативой регенеративной медицины BIRAX (грант 33BX12HGYN), Американо-израильским двухсторонним научным фондом (грант BSF 2013002) и Израильским научным фондом (грант ISF 1872/14). .

Список литературы

Atencia, J., Morrow, J., Locascio, L.E. (2009). Микрожидкостная палитра: генератор диффузных градиентов с пространственно-временным контролем. Lab. Микросхема 9, 2707–2714. DOI: 10.1039 / b

3b

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Коссон, С., Лутольф, М. П. (2015). Гидрогелевые микрофлюидики для формирования паттерна плюрипотентных стволовых клеток. Sci. Отчет 4: 4462. DOI: 10.1038 / srep04462

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Эзра, Э., Маор, И., Бавли, Д., Шалом, И., Леви, Г., Прилл, С. и др. (2015). Микропроцессорная интеграция микрожидкостного управления для реализации автоматизированного мониторинга датчиков и алгоритмов многопоточной оптимизации. Biomed. Микроустройства 17, 1–9. DOI: 10.1007 / s10544-015-9989-y

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Кинан Т. М., Фреверт К. В., Ву А., Вонг В. и Фолч А. (2010). Новый метод исследования градиентно-индуцированной десенсибилизации нейтрофилов на основе открытой микрофлюидной камеры. Lab. Микросхема 10, 116–122. DOI: 10.1039 / b913494h

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Кинан Т.М., Сюй Ч.-Х. и Фолч А. (2006). Микрожидкостные форсунки для создания стационарных градиентов растворимых молекул на открытых поверхностях. Заявл. Phys. Lett. 89, 114103. DOI: 10.1063 / 1.2345914

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ли К., Сильва Э. А. и Муни Д. Дж. (2011). Тканевая инженерия на основе доставки факторов роста: общие подходы и обзор последних разработок. J. R. Soc. Интерфейс 8, 153–170. DOI: 10.1098 / rsif.2010.0223

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Леви Г., Хабиб Н., Гуззарди М. А., Китсберг Д., Бомзе Д., Эзра Э. и др. (2016). Ядерные рецепторы контролируют провирусные и противовирусные метаболические реакции на вирусную инфекцию гепатита С. Нат. Chem. Биол. 12, 1037–1045. DOI: 10.1038 / nchembio.2193

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ли, К.В., Чен Р. и Ян М. (2007). Создание линейных и нелинейных градиентов концентрации вдоль микрофлюидного канала путем пошагового добавления раствора пробы с микротоннельным управлением. Lab. Чип 7, 1371–1373. DOI: 10.1039 / b705525k

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Лю З., Сяо, Л., Сю, Б., Чжан, Ю., Мак, А. Ф., Ли, Ю., и др. (2012). Ковалентно иммобилизованный градиент биомолекул на поверхности гидрогеля с использованием микрожидкостного устройства, генерирующего градиент, для количественного исследования мезенхимальных стволовых клеток. Биомикрофлюидикс 6, 024111. DOI: 10.1063 / 1.4704522

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Мелин, Дж., И Тектон, С. Р. (2007). Микрожидкостная крупномасштабная интеграция: эволюция правил проектирования для биологической автоматизации. Annu. Rev. Biophys. Biomol. Struct. 36, 213–231. DOI: 10.1146 / annurev.biophys.36.040306.132646

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Прилл, С., Бавли, Д., Леви, Г., Эзра, Э., Schmälzlin, E., Jaeger, M. S., et al. (2016). Мониторинг потребления кислорода в печеночном биореакторе в режиме реального времени показывает независимую от CYP450 митохондриальную токсичность ацетаминофена и амиодарона. Arch. Toxicol. 90, 1181–1191. DOI: 10.1007 / s00204-015-1537-2

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Соренсен, С. Дж., Бейли, М., Хансен, Л. Х., Кроер, Н., и Вюрц, С. (2005). Изучение горизонтального переноса плазмиды in situ: критический обзор. Нат.Rev. Microbiol. 3, 700–710. DOI: 10.1038 / nrmicro1232

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Такаяма, С., Макдональд, Дж. К., Остуни, Э., Лян, М. Н., Кенис, П. Дж., Исмагилов, Р. Ф. и др. (1999). Создание рисунка в ячейках и их окружении с помощью нескольких ламинарных потоков жидкости в капиллярных сетях. Proc. Natl. Акад. Sci. США 96, 5545–5548. DOI: 10.1073 / pnas.96.10.5545

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Генераторы и динамо


Развитие и история компонента, который первым сделал электричество коммерчески осуществимо

Динамо Генераторы преобразуют механическое вращение в электрическую энергию.

Динамо — устройство, вырабатывающее постоянного тока электроэнергии с помощью электромагнетизма. Он также известен как генератор, однако термин «генератор» обычно относится к «генератору переменного тока», который вырабатывает мощность переменного тока.

Генератор — обычно этот термин используется для описания генератора , который создает мощность переменного тока, используя электромагнетизм.

Генераторы, Динамо и Батарейки — три инструмента, необходимые для создания / хранения значительное количество электроэнергии для использования людьми.Аккумуляторы возможно, был обнаружен еще в 248 году до нашей эры. Они просто используют химические реакция на производство и хранение электричества. Ученые экспериментировали с батарея, чтобы изобрести первые лампы накаливания, электродвигатели и поезда и научные испытания. Однако батареи не были надежными или рентабельно для любого обычного электрического использования, именно динамо-машина радикально изменили электричество из диковинного в выгодное, надежное технология.

1. Как это работает
2. Краткая история динамо-машин и генераторов
3. Видео генераторов

1.) Как Это работает:

Базовый:

Сначала вам понадобится механический источник энергии, такой как турбина (приводимая в действие падающей водой), ветряная турбина, газовая турбина или паровая турбина. Вал от одного из этих устройств подключен к генератору для выработки энергии.

Динамо и генераторы работают используя дикие сложные явления электромагнетизма . Понимание поведение электромагнетизма, его полей и его эффектов очень велико. предмет исследования. Есть причина, по которой прошло 60 лет ПОСЛЕ Вольты первая батарея, чтобы заработала хорошая мощная динамо-машина. Мы будет проще, чтобы познакомить вас с интересным предметом выработки электроэнергии.

В самом общем смысле Генератор / динамо-машина — это один вращающийся магнит, находящийся внутри воздействия магнитного поля другого магнита. Вы не видите магнитное поле, но это часто иллюстрируется линиями потока. На иллюстрации над линиями магнитного потока будут следовать линии, созданные железом документы.

Генератор / динамо изготовлен сборка неподвижных магнитов (статора), создающих мощное магнитное поле, и вращающийся магнит (ротор), который искажает и разрезает магнитный магнитные линии статора.Когда ротор прорезает линии магнитного поток делает электричество.

Но почему?

Согласно закону индукции Фарадея если вы возьмете провод и будете двигать его вперед и назад в магнитном поле, поле давит на электроны в металле. Медь имеет 27 электронов, последние два на орбите легко переносятся на следующий атом. Это движение электронов — это электрический поток.

Смотрите видео ниже показано, как ток индуцируется в проводе:

Если взять много провода например, в катушке и перемещая ее в поле, вы создаете более мощный «поток» электронов.Мощность вашего генератора зависит по телефону:

«л» -длина проводник в магнитном поле
«v» — скорость проводника (скорость ротора)
«B» — сила электромагнитного поля

Вы можете производить расчеты, используя эта формула: e = B x l x v

Смотрите видео для демонстрации всего этого:

О магнитах:

Вверху: простой электромагнит. называется соленоидом.Термин «соленоид» на самом деле описывает трубчатая форма, созданная витой проволокой.

Магниты обычно не из природного магнетита или постоянного магнит (если это не маленький генератор), но они медные или алюминиевый провод, намотанный на железный сердечник. Каждая катушка должна быть под напряжением с некоторой силой, чтобы превратить его в магнит. Эта спираль вокруг железа называется соленоид. Соленоиды используются вместо природного магнетита, потому что соленоид НАМНОГО мощнее.Небольшой соленоид может создать очень сильное магнитное поле.

Выше: Катушки с проволокой в ​​генераторах должны быть изолированы. Отказ генератора вызвано слишком высоким повышением температуры, что приводит к поломке изоляции и короткое замыкание между параллельными проводами. Подробнее о проводах>

Термины :
Электромагнетизм — изучение сил, которые происходит между электрически заряженными частицами
Ротор — часть генератора динамо, которая вращается
Якорь — то же, что и ротор
Flux — силовые линии в магнитном поле, это измеряется в плотности, единица СИ Вебера
Статор — магниты в генераторе / динамо-машине, которые не двигаются, они устанавливают стационарное магнитное поле
Соленоид — магнит, созданный проволочной катушкой вокруг утюга / ферриса сердечник (соленоид технически означает форму этого магнита, но инженеры называют соленоид и электромагнит как синонимы.
Коммутатор — Узнайте больше о них здесь
Крутящий момент — сила во вращательном движении

Динамо

Динамо — это старый термин, используемый для описания генератора, вырабатывающего постоянный ток мощность . Мощность постоянного тока отправляет электроны только в одном направлении. Проблема с простым генератором заключается в том, что когда ротор вращается, он в конечном итоге полностью поворачивается, меняя направление тока.Ранние изобретатели не знать, что делать с этим переменным током, переменный ток более сложные в управлении и проектировании двигателей и фонарей. Ранние изобретатели пришлось придумать способ улавливать только положительную энергию генератора, поэтому они изобрели коммутатор. Коммутатор — это переключатель, позволяющий ток течет только в одном направлении.

См. видео ниже, чтобы увидеть, как работает коммутатор:

Динамо состоит из 3-х основных компонентов : статора, якоря и коммутатор.

Кисти являются частью коммутатора, щетки должны проводить электричество, поскольку контакт с вращающимся якорем. Первые кисти были актуальны проволочные «щетки» из мелкой проволоки. Они легко изнашивались и они разработали графические блоки для выполнения той же работы.

статор представляет собой неподвижную конструкцию, которая делает магнитные поле, вы можете сделать это в небольшой динамо-машине с помощью постоянного магнита.Для больших динамо требуется электромагнит.

Якорь изготовлен из спиральных медных обмоток, которые вращаются внутри магнитного поля, создаваемого статором. Когда обмотки движутся, они прорезают силовые линии магнитного поля. Этот создает импульсы электроэнергии.

Коммутатор необходим для выработки постоянного тока. В потоках мощности постоянного тока только в одном направлении через провод, проблема в том, что вращающийся якорь в динамо-машине меняет направление тока каждые пол-оборота, поэтому коммутатор — это поворотный переключатель, который отключает питание в течение обратной текущей части цикла.

Самовозбуждение:

Так как магниты в динамо являются соленоидами, для работы они должны быть запитаны. Так что помимо кистей какая мощность крана выйти на главную цепь, есть другой набор щеток для получения энергии от якоря для питания статора магниты. Это нормально, если динамо-машина работает, но как начать динамо-машина, если у вас нет мощности для запуска?

Иногда арматура сохраняет некоторый магнетизм в железном сердечнике, и когда он начинает вращаться, он делает небольшая мощность, достаточная для возбуждения соленоидов статора.Затем напряжение начинает расти, пока динамо-машина не наберет полную мощность.

Если нет магнетизма осталось в железе якоря, чем часто используется батарея для возбуждения соленоиды в динамо-машине, чтобы начать. Это называется «поле» мигает ».

Ниже в обсуждении проводя динамо, вы заметите, как мощность проходит через соленоиды по-другому.

Есть два способа проводка динамо: серия рана и шунт ранить.См. Диаграммы, чтобы узнать разницу.

Ниже видео небольшого простая динамо-машина, похожая на схемы выше (построена в 1890-х годах):

Генератор

Генератор отличается от динамо-машина в том смысле, что она производит переменного тока . Электроны входят в в обоих направлениях в сети переменного тока. Только в 1890-х годах инженеры придумали, как проектировать мощные двигатели, трансформаторы и другие устройства, которые могут использовать мощность переменного тока таким образом, чтобы конкурировать с постоянным током мощность.

Пока генератор использует коммутаторах, генератор использует контактное кольцо со щетками для постукивания по выключение ротора. К контактному кольцу прикреплены графит или углерод. «щетки», которые подпружинены, чтобы протолкнуть щетку на звенеть. Это поддерживает постоянный поток энергии. Кисти изнашиваются время и нуждаются в замене.

Ниже видео контактных колец и щеток, много примеров от старого к новому:

Со времен Грамма в 1860-х годах было выяснено, что лучший способ построить динамо-генератор было расположить магнитные катушки по широкому кругу, с широким вращением арматура.Это выглядит иначе, чем простые маленькие примеры динамо-машин. вы видите, как они используются в обучении работе устройств.

На фото ниже вы будете хорошо видна одна катушка на якоре (остальные были сняты для обслуживания) и другие катушки, встроенные в статор.

С 1890-х до наших дней Трехфазное питание переменного тока было стандартной формой питания. Три фазы сделано за счет конструкции генератора.

Изготовить трехфазный генератор вы должны разместить определенное количество магнитов на статоре и якоре, все с правильным интервалом. Электромагнетизм так же сложен, как и волны и вода, поэтому вам нужно знать, как контролировать поле через ваш дизайн. Проблемы включают неравномерное притяжение вашего магнита к железному сердечнику, неправильные расчеты искажения магнитного поле (чем быстрее вращается, тем сильнее искажается поле), ложный сопротивление в катушках якоря и множество других потенциальных проблем.

Почему 3 фазы? если ты хочешь Чтобы узнать больше о фазах и почему мы используем 3 фазы, посмотрите наше видео с пионером трансмиссии Лайонелом Бартольдом.

2.) Краткая история динамо и генераторов:

Генератор возникла из работ Майкла Фарадея и Джозефа Генрих в 1820-х гг. Как только эти два изобретателя обнаружили и задокументировали явления электромагнитной индукции, это приводит к экспериментам другими как в Европе, так и в Северной Америке.

1832 — Ипполит Пикси (Франция) построил первую динамо-машину с помощью коммутатора, его модель создавала электрические импульсы, разделенные отсутствием тока. Он также случайно создали первый генератор переменного тока. Он не знал, что чтобы сделать с изменяющимся током, он сосредоточился на попытке устранить переменный ток для получения постоянного тока, это привело его к созданию коммутатор.

1830s-1860s — Аккумулятор по-прежнему является самым мощным источником питания электричество для различных экспериментов, происходивших в этот период.Электричество по-прежнему было коммерчески невыгодным. Электрический аккумулятор с питанием от аккумулятора поезд из Вашингтона в Балтимор провалился, что привело к серьезному затруднению в новую область электричества. После миллионов долларов потраченного впустую пара по-прежнему оказался лучшим источником энергии. Электричество все еще необходимо для оказались надежными и коммерчески выгодными.

1860 — Антонио Пачинотти — Создал динамо-машину, обеспечивающую непрерывное Источник питания постоянного тока

1867 — Вернер фон Сименс и Чарльз Уитстон создают более мощная, более полезная динамо-машина, в которой использовался автономный электромагнит в статоре вместо слабого постоянного магнита.

1871 — Зеноб Грамм зажег коммерческая революция электроэнергии. Он заполнил магнитное поле железный сердечник, который лучше пропускал магнитный поток. Это увеличило мощность динамо-машины до такой степени, что ее можно было использовать для многих коммерческих Приложения.

1870-е годы — Произошел взрыв новых конструкций динамо-машин, конструкций варьировал дикий ассортимент, лишь немногие выделялись как превосходящие эффективность.

1876 — Чарльз Ф. Браш (Огайо) разработала самую эффективную и надежную конструкцию динамо-машины из когда-либо существовавших. к этому моменту. Его изобретения продавались через Telegraph Supply. Компания.

1877 — Франклин Институт (Филадельфия) проводит испытания динамо-машин со всего мира. Публичность этого события стимулирует развитие других людей, таких как Элиху. Томсон, лорд Кельвин и Томас Эдисон.

Выше: Длинноногая Мэри Эдисона, коммерчески успешная динамо-машина для его системы постоянного тока 1884

1878 — Компания Ganz начинает использовать генераторов переменного тока в небольших коммерческих инсталляции в Будапеште.

1880 — Чарльз F. Brush использовало более 5000 дуговых ламп , что составляет 80 процентов всех ламп в мире. Экономическая сила электрического возраст начался.

1880-1886 — Системы переменного тока разрабатываются в Европе совместно с Siemens, Сабастиан Ферранти, Люсьен Голар и другие. Царство динамо-машин постоянного тока на прибыльном американском рынке многие настроены скептически. инвестировать в AC.Генераторы переменного тока были мощными, однако генератор само по себе не было самой большой проблемой. Системы контроля и распределения мощности переменного тока необходимо было улучшить, прежде чем она сможет конкурировать с DC на рынке.

1886 — В изобретатели Североамериканского рынка, такие как William Стэнли , Джордж Вестингауз, Никола Тесла и Элиху Thomson разрабатывает собственный кондиционер системы и конструкции генераторов.Большинство из них использовали Siemens и генераторы Ферранти в качестве основы для изучения. Уильям Стэнли быстро смог изобрести генератор получше, будучи неудовлетворенным с генератором Сименса, который он использовал в своем первом эксперимент.

Выше: Генераторы переменного тока Siemens, используемые в Лондоне в 1885 году, в США Эдисон не хотел перейти в область питания переменного тока, в то время как в Европе технология развивалась быстро.


1886-1891 — Полифазный Генераторы переменного тока разработаны C.S. Bradly (США), August Haselwander. (Германия), Михаил Доливо-Добровский (Германия / Россия), Галилео Феррарис (Италия) и др. Системы переменного тока, которые включают улучшенный контроль и мощные электродвигатели позволяют AC конкурировать.


1891 — трехфазный Электропитание переменного тока оказалось лучшей системой для выработки электроэнергии и распространение на Международном Электротехническая выставка во Франкфурте.

Трехфазный генератор конструкции Михаила Доливо-Добровского, использованный на выставке видно слева.

1892 — Чарльз П. Стейнмец представляет свой доклад AIEE по гистерезису. Понимание Штейнмеца математики мощности переменного тока опубликована и помогает произвести революцию Проектирование систем питания переменного тока, включая большие генераторы переменного тока.

1890-е годы — Генератор дизайн быстро улучшается благодаря коммерческим продажам и имеющиеся деньги на исследования.Westinghouse, Siemens, Oerlikon, и General Electric разрабатывают самые мощные генераторы в мире. Некоторые генераторы все еще работают 115 лет спустя. (Механиквилл, Нью-Йорк)

Выше: 1894 Элиу Томсон разработал много Генераторы переменного тока для General Electric

Более поздний генератор Westinghouse 2000 кВт на 270 В от после 1900

3.Видео

Mechanicville Генераторы с объяснением истории (1897), разработанные вдохновителем переменного тока Чарльз П. Стейнмец

Генератор Вестингауза сконструирован и испытан (1905 г.), спроектирован Оливером Шалленбергером, Tesla и другие в Westinghouse.

1895 Ранние мощные генераторы используется в Фолсоме, Калифорния (разработан Элиу Томпсон, доктором.Луи Белл и другие в GE)

1891 Генератор производства Oerlikon для Международной электротехнической выставки (дизайн Добровольского в Германии)


Связанные темы:

Источники:
-The История General Electric — Зал истории , Скенектади, Нью-Йорк, 1989 Второе издание
— Википедия (Генераторы, Чарльз Браш)
— Википедия (Коммутатор)
— Принципы электричества — от General Electric
— История переменного тока — Технический центр Эдисона
— Руководство по электричеству Хокинса

Фото / Видео:
-Copyright 2011 Технический центр Эдисона.Снято в Немецком музее, Мюнхен,
— Некоторые генераторы сфотографированы в Техническом центре Эдисона, Скенектади, NY

Paletton — Дизайнер цветовых схем

Влюблен в цвета, с 2002 года.
  1. Приложение Paletton
  2. Colorpedia
  3. О компании Paletton
  4. О компании Paletton

Палеттон.com — это дизайнерский инструмент цвета, предназначенный для создания цветовых комбинаций, которые хорошо сочетаются друг с другом. Он использует классическую теорию цвета с древним художественным цветовым кругом RYB для создания цветовых палитр от одного до четырех оттенков, каждая из пяти разных оттенков. Можно выбрать различные стили предварительного просмотра, чтобы проверить и просмотреть цвета в комбинациях, доступно множество примеров, чтобы увидеть палитру, используемую в дизайне веб-сайта, дизайне пользовательского интерфейса или в произвольно нарисованном изображении. Предварительный просмотр ткани Tartan также доступен тем, кто интересуется текстилем и дизайном интерьера.

Этот инструмент палитры использует различные цветовые модели для объединения смежных цветов и / или дополнительных цветов к основному оттенку. Выбирайте модели от монохромных до трехцветных или четырехцветных наборов цветов, с дополнением или без него (противоположный оттенок), наслаждайтесь даже режимом свободного стиля. Поиграйте с яркостью и насыщенностью палитры, выберите из предустановленных предустановок или создайте случайные палитры. Уникальный фильтр имитации зрения имитирует палитру, которую видят люди с различной слабостью зрения, дальтонизмом, различными вариантами дальтонизма (протанопия, дейтеранопия, тританопия, протаномалия, дейтераномалия, тританомалия, дисхроматопсия или ахроматопсия), а также несколько гамма-симуляций (симуляция слишком яркого дисплея или слишком темной печати), обесцвечивания, преобразования оттенков серого или веб-цветов (устаревшая 216-цветная палитра).

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.