Kurs-ufa.ru

В помощь Электрику
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Как устроен генератор постоянного тока

Функционирование генератора основывается на свойствах, которые следуют из известного закона электромагнитной индукции. Когда замкнутый контур разместить между полюсами магнита (постоянного), то в условиях вращения он будет проходить через магнитный поток. Во время перехода вырабатывается электродвижущая сила, возрастающая при приближении к полюсу. В случае, если присоединить нагрузку, то образуется поток тока. Когда витки рамки будут выходить из области воздействия магнита, то ЭДС будет уменьшаться и достигнет нуля при горизонтальном положении рамки. При дальнейшем вращении противолежащие контурные части изменят магнитную полярность.

Альтернатор постоянного тока

Значения ЭДС в активных обмотках контура вычисляются по формулах: е1= В I v sin wt, е2= — В I v sin wt, где I — длинна одной стороны рамки, В — магнитная индукция, v — скорость вращения (линейная) контура, t — время, wt — угол пересечения магнитного потока рамкой.

Направление тока меняется в период смены полюсов. Поскольку вращение коллектора происходит одновременно с рамой, то электроток на нагрузке имеет одинаковое направление. Такая схема лежит в основе выработки постоянного электричества. Суммарная ЭДС будет иметь следующий вид: е= 2В I v sin wt.

Принцип действия генератора

Такой ток почти непригоден для применения, поскольку присутствуют пульсации ЭДС. Последние надо уменьшать к допустимому уровню. Для этой цели применяют много магнитных полюсов, рамки заменяют якорями, у которых намного больше обмоток и коллекторов. К тому же, соединение обмоток выполняется разными методами.

Якорь

Ротор производится из стали. В пазы на сердечниках укладываются витки провода, которые составляют рабочую обмотку якоря. Проводники соединяют последовательно. Они образуют секции, создающие замкнутую цепь.

Интересно! Для процесса генерации неважно: вращаются обмотки контура или магнит. По этой причине роторы для маломощных альтернаторов изготавливают из постоянных магнитов, а переменный ток выпрямляют при помощи диодных мостов или иными схемами.

Узнать, из чего состоит генератор постоянного тока, поможет картинка 4.

Устройство машины постоянного тока

Установка состоит из главных узлов:

  • неподвижная часть — главные и дополнительные полюса, станина;
  • вращающаяся часть (якорь) — стальной сердечник, коллектор.

В процессе работы установки ток проводится сквозь обмотку и образуется магнитный поток полюсов. Специальные неподвижные щетки (из сплава графита) способствуют объединению обеих частей генератора в единую цепь.

Устройство и принцип действия генератора постоянного тока за долгий период применения остались прежними, несмотря на некоторые совершенствования.

Мощность генератора постоянного тока встречается как полная, так и полезная. При постоянной электродвижущей силе генератора полная мощность пропорциональна силе тока.

Еще одной важной технической характеристикой альтернатора является его коэффициент полезного действия. Это понятие представляет собой отношение полезной мощности к полной.

На холостом ходе КПД равно нулю, максимальные показатели достигаются при номинальных нагрузках. В мощных инновационных моделях генераторов постоянного тока коэффициент полезного действия приближается к 90%.

Первый генератор постоянного тока, или что такое динамо-машина?

В позапрошлом веке, динамо-машиной называли генератор постоянного тока. Со временем промышленные генераторы, были вытеснены генераторами переменного тока, пригодного для преобразования посредством трансформаторов, и очень удобного для передачи тока на большие расстояния с незначительными потерями.

Сегодня под словом «динамо», как правило, подразумевают маленькие велосипедные генераторы (для фар) или ручные генераторы (для туристических фонариков). Что касается промышленных генераторов, то на сегодняшний день все это — генераторы переменного тока. Давайте, однако, вспомним, как развивались и совершенствовались первые «динамо».

Читать еще:  Как пользоваться вольтметром

Динамо-машина для велосипеда

Первый образец генератора постоянного тока, или униполярного динамо, был предложен в далеком 1832 году Майклом Фарадеем, когда он только открыл явление электромагнитной индукции. Это был так называемый «диск Фарадея» — простейший генератор постоянного тока. Статором в нем служил подковообразный магнит, а в качестве ротора выступал вращаемый вручную медный диск, ось и край которого пребывали в контакте с токосъемными щетками.

Диск Фарадея

Когда диск вращали, то в той части диска, которая пересекала магнитный поток между полюсами магнита статора, наводилась ЭДС, приводящая, в случае если цепь между щетками была замкнута на нагрузку, к появлению радиального тока в диске. Подобные униполярные генераторы по сей день используются там, где требуются большие постоянные токи без выпрямления.

Генератор переменного тока впервые построил француз Ипполит Пикси, это произошло в том же 1832 году. Статор динамо-машины содержал включенные последовательно пару катушек, ротор представлял собой подковообразный постоянный магнит, кроме того в конструкции имелся щеточный коммутатор.

Первый генератор переменного тока

Магнит вращался, пересекал магнитным потоком сердечники катушек, наводил в них гармоническую ЭДС. А автоматический коммутатор служил для выпрямления и получения в нагрузке постоянного пульсирующего тока.

Позже, в 1842 году, Якоби предложит разместить магниты на статоре, а обмотку — на роторе, который также вращался бы через редуктор. Это сделает генератор более компактным.

В 1856 году, для питания серийных дуговых ламп Фредерика Холмса, (эти лампы использовали в прожекторах маяков), самим Фредериком Холмсом была предложена конструкция генератора, похожая на генератор Якоби, но дополненная центробежным регулятором Уатта для поддержания напряжения на лампе постоянным при разном токе нагрузки, что достигалось путем автоматического сдвига щеток.

Генератор Холмса

Статор содержал 50 магнитов, а конструкция в общем весила 4 тонны, и развивала мощность чуть больше 7 кВт. Было выпущено примерно 100 таких генераторов под маркой «Альянс».

Между тем, машины с постоянными магнитами отличались одним существенным недостатком, магниты теряли со временем намагниченность и портились от вибрации, в итоге генерируемое машиной напряжение становилось со временем все ниже и ниже. При этом намагниченностью нельзя было управлять, чтобы стабилизировать напряжение.

В качестве решения пришла идея электромагнитного возбуждения. Идея пришла в голову английского изобретателя Генри Уайльда, который в 1864 году запатентовал генератор с возбудителем на постоянном магните, — магнит возбуждения просто монтировался на валу генератора.

Позже настоящую революцию в генераторах совершит немецкий инженер Вернер Сименс, который откроет подлинный динамоэлектрический принцип, и поставит производство новых генераторов постоянного тока на поток.

Принцип самовозбуждения заключается в том, чтобы использовать остаточную намагниченность сердечника ротора для пускового возбуждения, а затем, когда генератор возбудится, использовать в качестве намагничивающего тока ток нагрузки, или включить в работу специальную обмотку возбуждения, питаемую генерируемым током параллельно нагрузке. В результате, положительная обратная связь приведет к увеличению магнитного потока возбуждения генерируемым током.

В числе первых принцип самовозбуждения, или динамоэлектрический принцип, отметит инженер из Дании Сорен Хиорт. Он упомянет в своем патенте от 1854 года возможность использования остаточной намагниченности с целью реализации явления электромагнитной индукции для получения генерации. Однако, опасаясь того, что остаточного магнитного потока будет недостаточно, Хиорт предложит дополнить конструкцию динамо постоянными магнитами. Этот генератор так и не будет воплощен.

Позже, в 1856 году, аналогичную идею выскажет Аньеш Йедлик — член Венгерской академии наук, но ничего так и не запатентует. Только спустя 10 лет Самюэль Варлей, ученик Фарадея, реализует на практике принцип самовозбуждающегося динамо. Его заявка на патент (в 1866 году) содержала описание устройства очень похожего на генератор Якоби, только постоянные магниты уже были заменены обмоткой возбуждения — электромагнитами возбуждения. Перед стартом сердечники намагничивались постоянным током.

Читать еще:  Как работает трансформатор тока

Генератор постоянного тока Сименса

В начале 1867 года в Берлинской Академии наук с докладам выступал изобретатель Вернер Сименс. Он представил публике генератор похожий на генератор Варлея, названный «динамо-машиной». Старт машины осуществлялся в режиме двигателя, для того чтобы обмотки возбуждения намагнитились. Затем машина превращалась в генератор.

Это была настоящая революция в понимании и проектировании электрических машин. В Германии начался широкий выпуск динамо-машин Сименса — генераторов постоянного тока с самовозбуждением — первых промышленных динамо-машин.

Конструкция динамо-машин с течением времени менялась: Теофил Грамм, в том же 1867 году, предложил кольцевой якорь, а в 1872 году главный конструктор компании Сименс-Гальске, Гефнер Альтенек, предложит барабанную намотку.

Так генераторы постоянного тока примут свой окончательный облик. В 19 веке, с переходом на переменный ток, гидроэлектростанции и тепловые электростанции станут вырабатывать уже переменный ток на генераторах переменного тока. Но это уже совсем другая история…

Классификация

Разделение генераторов по классам происходит по тому принципу, как они возбуждаются. Есть два основных типа классификации генераторов, это самовозбуждающиеся и генераторы с независимым возбуждением.

Первый класс это устройства, где обмотка питается непосредственно от якоря. Его можно подразделить на последовательно, параллельное и смешанное возбуждение. Второй класс подразделяется на электромагнитное и магнитоэлектрическое возбуждение.

Выясняем, как устроен агрегат

Как любая электрическая машина, генератор постоянного тока состоит из якоря и статора.

Якорь собирается из стальных пластин с углублениями, в которые укладываются обмотки. Их концы подсоединяются к коллектору, состоящему из медных пластин, разделенных диэлектриком. Коллектор, якорь с обмотками и вал электрической машины после сборки становятся единым целым.

Статор генератора является одновременно и его корпусом, на внутренней поверхности которого закрепляется несколько пар постоянных или электрических магнитов. Обычно используются электрические, сердечники которых могут быть отлиты вместе с корпусом (для машин малой мощности) или набраны из металлических пластин.

Также на корпусе предусматривается место для крепления токосъемных щеток.
В зависимости от количества полюсов магнитов на статоре меняется и количество графитовых элементов. Сколько пар полюсов, столько и щеток.

Схемы электрических машин

Генераторы постоянного тока создают, со следующими схемами, обмоток возбуждения:

  • независимой;
  • последовательной;
  • параллельной;
  • смешанной.

Каждый из способов работы генератора имеет свои преимущества, особенности и недостатки. Принцип независимого возбуждения понятен из названия. В этом случае напряжение питания подаётся от внешнего источника. Это может быть аккумуляторная батарея либо отдельный генератор, выполняющий вспомогательные функции.

Ток в такой обмотке достигает сравнительно небольших величин. Как правило, он не превышает 5-6% от генерируемого тока.

Чтобы изменять создаваемое обмоткой магнитное поле в цепь питания вставляют регулируемое сопротивление.

В некоторых типовых схемах используют изменение напряжения Uв.

Независимое возбуждение обмотки электрического генератора постоянного тока

Чтобы понять, как работает машина, и определить оптимальный алгоритм настройки, надо измерить электрические параметры в режиме холостого хода. Он отличается отсутствием нагрузки в выходной цепи. Поэтому соответствующие влияния можно не принимать в расчёт. В таком состоянии напряжение, создаваемое генератором, будет равно ЭДС. На следующем рисунке в части а) приведён примерный график.

Читать еще:  Как паять провода

Графики электрических параметров генератора постоянно тока с независимым возбуждением обмотки

В этом эксперименте якорь вращается с неизменной скоростью (n1), поэтому только ток в обмотке возбуждения определял величину магнитного поля и, соответственно, ЭДС на выходе. Восходящий участок графика (1) показывает изменение напряжения на выходе при увеличении тока в обмотке. Нисходящий (2) – обратное действие при уменьшении тока. На нижнем графике приведены значения, которые были получены при снижении скорости вращения.

В части б) размещён график, иллюстрирующий изменение напряжения при разных нагрузках. Здесь постоянными были скорость вращения ротора и ток в обмотке возбуждения. Падение U объясняется снижением ЭДС, которое происходит из-за паразитного действия магнитного потока, создаваемый якорем, а также падением напряжения в его цепи.

Третий график (в) поясняет принципы регулировки генератора. Видно, что коррекции тока в обмотке возбуждения позволяют поддерживать напряжение на одном уровне при изменениях в цепи нагрузки.

На основании полученных результатов измерений и общего анализа можно сделать следующие выводы:

  • Внешнее возбуждение пригодно для регулировок напряжения генератора в широком диапазоне простыми методами. Для изменения напряжения в обмотке подойдёт элементарный расчёт.
  • Такая конструкция характеризуется относительно небольшим трансформированием производительности при изменении параметров нагрузки.
  • Необходим внешний источник питания. Это усложняет устройство и несколько снижает общую надёжность.

На следующих рисунках приведены принципиальные схемы генераторов с последовательной, параллельной и смешанной схемой обмотки возбуждения.

Принципиальные схемы генераторов обмотки возбуждения: а) последовательного, б) параллельного, в) смешанного типа

Особенности схем

Вид схемыОсобенностиПрименение
ПоследовательнаяОчень малое напряжение в режиме холостого хода, сильная зависимость от параметров нагрузки.Для генерации энергии такая схема не подходит. Её используют для создания машин, в которых торможение выполняется с применением реостатных методик.
ПараллельнаяПодключение нагрузки осуществляется только после достижения номинального значения выходного напряжения.Эта схема подходит для создания генераторов, которые вырабатывают электроэнергию для заряда аккумуляторных батарей.
СмешаннаяНизкое влияние изменения параметров нагрузки на выходное напряжение. Требуется точный расчёт компонентов схемы, чтобы получить хороший результат.Такие решения применяют в сварочных аппаратах, где для работы устройство использует режим короткого замыкания.

Устройство

Конструктивно генератор постоянного тока не так и сложен. Он – тот же двигатель, только работает иначе. Преобразует механическую энергию в электрическую, а не наоборот.

Рассматривая его снаружи и изнутри, можно выделить следующие детали:

  • Чугунный или стальной корпус;
  • Статор;
  • Катушки возбуждения;
  • Якорь;
  • Обмотка самовозбуждения;
  • Коллектор;
  • Медно-графитные щетки

Принцип действия генератора постоянного тока основан на том, что когда в магнитном поле движутся проводники, то в нем генерируется разнонаправленная ЭДС, величину и направление которого можно контролировать и изменять. Это происходит при вращении якоря. С помощью коллектора на выходе образуется постоянный ток.

Генераторы смешанного возбуждения

В генераторе со смешанным возбуждением имеются две обмотки возбуждения: основная (параллельная) и вспомогательная (последовательная). Наличие двух обмоток при их согласном включении позволяет получать приблизительно постоянное напряжение генератора при изменении нагрузки. Подбирая число витков последовательной обмотки так, чтобы при номинальной нагрузке создаваемое ею напряжение компенсировало суммарное падение напряжения при работе машины с одной только параллельной обмоткой, можно добиться, чтобы напряжение при изменении тока нагрузки от нуля до

Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector