Как устроен генератор постоянного тока

В чем секрет работы генератора постоянного тока: устройство и его принцип действия?

Генератор постоянного тока – это электрическая машина, производящая напряжение постоянной величины.

За этим вполне банальным определением кроется очень сложное устройство, являющееся практически совершенством технической мысли. Ведь с момента изобретения в конце XIX века устройство генератора постоянного тока не претерпело существенных изменений.

Никакая энергия не возникает просто так, ниоткуда. Она — всегда порождение другой силы. Это касается и электрического тока. Чтобы он возник, нужно магнитное поле, позволяющее использовать эффект электромагнитной индукции — возбуждение ЭДС во вращающемся проводнике.

Принцип работы генератора постоянного тока

Если к концам петли проводника, внутри которой вращается постоянный магнит, подключить нагрузку, то в ней потечет переменный ток. Произойдет это потому, что полюса магнита меняются местами. На этом эффекте основан принцип работы генераторов переменного тока, являющихся братьями-близнецами машин постоянного напряжения.

Вся хитрость, благодаря которой получаемый ток не меняет направления, заключается в том, чтобы успевать коммутировать точки подключения нагрузки с той же скоростью, с какой вращается магнит. Осуществить эту задачу может только коллектор – особое устройство, состоящее из нескольких токопроводящих секторов, разделенных диэлектрическими пластинами. Оно закрепляется на якоре электрической машины и вращается синхронно с ним.

Съем электрической энергии с якоря осуществляется щетками – кусочками графита, имеющего высокую электропроводность и низкий коэффициент трения скольжения. В тот момент, когда токопроводящие сектора коллектора меняются местами, индуцируемая ЭДС становится нулевой, но изменить знак она не успевает, поскольку щетка передана токосъемному сектору, подключенному к другому концу проводника.

Как находить возможные неисправности генераторов и чинить их — подскажет подробная инструкция.

В результате, на выходе устройства получается пульсирующее напряжение одной величины. Чтобы сгладить пульсацию напряжения используется несколько якорных обмоток. Чем их больше, тем меньше броски напряжения на выходе генератора. Количество токосъемных секторов на коллекторе всегда в два раза больше, чем обмоток якоря.

Съем генерируемого напряжения с обмотки якоря, а не статора, является коренным отличием машины постоянного тока от переменного. Это же предопределило и их существенный недостаток: потери на трение между щетками и коллектором, искрение и нагрев.

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.

Типы подключения электрических магнитов статора

Генераторы постоянного тока различаются по типу подключения электрических магнитов статора. Они могут быть:

  • с независимым возбуждением;
  • параллельным;
  • последовательным.

При независимом возбуждении электрические магниты статора подключаются к автономному источнику постоянного тока. Обычно это делается через реостат. Достоинством такой схемы является возможность регулировки генерируемой электрической мощности в широких пределах. Недостатком – необходимость иметь дополнительный источник питания.

Остальные два способа являются частными случаями самовозбуждения генератора, которое возможно при небольшом остаточном магнетизме статора. При параллельной работе генератора постоянного тока электромагниты статора питаются частью генерируемого напряжения. Это самая распространенная схема.

С принципами работы симисторов познакомит эта статья. Как на таких полупроводниках собрать регулятор мощности, можно узнать тут.

При последовательном возбуждении цепь электромагнитов включается последовательно с нагрузочной цепью якоря. Величина тока, протекающего по электромагнитам, существенно зависит от нагрузки генератора. Поэтому такая схема используется только для подключения тяговых двигателей постоянного тока, которые при торможении переходят в режим генерации.

Применяется и смешанная схема подключения обмотки возбуждения – параллельно-последовательная. Для этого на каждом полюсе электромагнита должно быть две изолированные обмотки (включаемая последовательно обычно состоит всего из двух–трех витков). Такие электрические машины применяются в том случае, если требуется ограничить ток короткого замыкания в нагрузке. Например, в мобильных сварочных агрегатах.
Наличие коллекторно-щеточного узла существенно усложняет конструкцию электрической машины. Кроме того, передача генерируемой энергии через него осуществляется с большими потерями и физическими нагрузками. Поэтому, там где это возможно, машины постоянного тока заменяют асинхронными генераторами с выпрямительным мостом. Таковы, например, все автомобильные источники электроэнергии.

Устройство и принцип работы генератора постоянного тока на видео

Устройство и принцип действия генератора постоянного тока

Принцип действия генератора постоянного тока

Простейшим генератором является виток, вращающийся в маг­нитном поле полюсов N и S. В таком витке индук­тируется переменная во времени э. д. с. Поэтому при соединении концов витка с контактными кольцами, вращающимися вместе с витком, в нагрузке через неподвижные щетки протекает перемен­ный ток, т. е. такая машина является генератором переменного тока.

Читать еще:  Как собрать электрический щит

Для преобразования переменного тока в постоянный применяют коллектор, принцип дейст­вия которого состоит в следующем. Концы витка 1 (рис. 133) присоединяются к двум медным полукольцам (сегментам), называемым коллек­торными пластинами. Пластины жестко укреп­ляют на валу машины и изолируют как друг от друга, так и отвала. На пластинах помещают не­подвижные щетки 2 и 3, электрически соединен­ные с приемником энергии.

При вращении витка коллекторные пластины также вращаются вместе с валом машины и каж­дая из неподвижных щеток 2 и 3 соприкасается то с одной, то с другой пластиной. Щетки на коллек­торе устанавливают так, чтобы они переходили с одной пластины на другую в тот момент, когда э. д. с, индукти­руемая в витке, была равна нулю. В этом случае при вращении яко­ря в витке индуктируется переменная э. д. с, изменяющаяся сину­соидально при равномерном распределении магнитного поля, но каждая из щеток соприкасается с той коллекторной пластиной и со­ответственно с тем из проводников, который в данный момент на­ходится под полюсом определенной полярности. Следовательно, э. д. с. на щетках 2 и 3 знака не меняет, и ток по внешнему участку замкнутой электрической цепи протекает в одном направлении от щетки 2 через сопротивление r к щетке 3. Однако несмотря на то, что направление э. д. с. во внешней цепи остается неизменным, величина ее меняется во времени, т. е. по­лучена не постоянная, а пульсирующая э. д. с. Ток во внешней цепи будет также пульсирующим. Если поместить на якоре два витка под углом 90° один к дру­гому и концы этих витков соединить с четырьмя коллекторными пластинами, то пульсация э. д. с. и тока во внешней цепи значи­тельно уменьшится. При увеличении числа коллекторных пластин пульсация быстро уменьшается и при 16 пластинах на пару полю­сов становится менее 1%. Таким образом, при большом числе кол­лекторных пластин э. д. с. и ток практически постоянны.

Устройство генератора постоянного тока

Неподвижная часть в машинах постоянного тока является ин­дуктирующей, т. е. создающей магнитное поле, а вращающаяся часть является индуктируемой (якорем).

Неподвижная часть машины (рис. 134, а) состоит из главных полюсов 1, дополнительных полюсов 2 и станины 3. Главный по­люс (рис. 134, б) представляет собой электромагнит, создающий магнитный поток. Он состоит из сердечника 4, обмотки возбужде­ния 7 и полюсного наконечника 8. Полюсы крепятся на станине 6 с помощью болта 5. Сердечник полюса отливается из стали и имеет поперечное сечение овальной формы. На сердечнике полюса поме­чена катушка обмотки возбуждения, намотанная из изолирован­ного медного провода. Катушки всех полюсов соединяются после­довательно, образуя обмотку возбуждения. Ток, протекающий по обмотке возбуждения, создает магнитный поток. Полюсный нако­нечник удерживает обмотку возбуждения на полюсе и обеспечи­вает равномерное распределение магнитного поля под полюсом. Полюсному наконечнику придают такую форму, при которой воздушный зазор между полюсами и якорем одинаков по всей длине полюсной дуги. Добавочные полюсы имеют также сердечник и обмотку.

Добавочные полюсы устанавливают в средних точках меж главными полюсами, и число их может быть либо равным число главных полюсов, либо вдвое меньшим. Добавочные полюсы устанавливают в машинах больших мощностей, и они служат для уст ранения искрения под щетками. В машинах малых мощности добавочных полюсов обычно нет.

Станина отливается из стали и является остовом машины, На станине крепят главные и добавочные полюсы, а также на тор­цовых сторонах боковые щиты с подшипниками, удерживающими вал машины. С помощью станины машина крепится на фундаменте. Вращающаяся часть машины (якорь) (рис. 135, а) состоит из сердечника 1, обмотки 2 и коллектора 3. Сердечник якоря пред­ставляет собой цилиндр, собранный из листов электротехнической стали. Листы изолируются друг от друга лаком или бумагой для уменьшения потерь на вихревые токи. Стальные листы штампуют на станках по шаблону; они имеют пазы, в которых укладываются проводники обмотки якоря. В теле якоря делают воздушные кана­лы для охлаждения обмотки и сердечника якоря. Обмотку якоря выполняют из медного изолированного провода или из медных стержней прямоугольного поперечного сечения. Она состоит из секций, изготовленных на специальных шаблонах и ук­ладываемых в пазах сердечника якоря. Одновитковая секция со­стоит из двух активных проводов, соединенных между собой. Секции могут иметь не один, а много витков. Такие секции называются многовитковыми. Обмотка тщательно изолируется от сердечника и закрепляется в пазах деревянными клиньями. Лобо­вые соединения укрепляются стальными бандажами. Все секции обмотки, помещенные на якоре, соединяются между собой после­довательно, образуя замкнутую цепь. Провода, соединяющие две секции, следующие одна за другой по схеме обмотки, присоединя­ются к коллекторным пластина. Коллектор представляет собой цилиндр, состоящий из отдель­ных пластин. Коллекторные пластины изготовляют из твердотянутой меди и изолируют между собой и от корпуса прокладками из миканита. Для крепления на втулке коллекторным пластинам при­дают форму «ласточкина хвоста», который зажимается между выступом на втулке и шайбой, имеющими форму, соответствующую форме пластины. Шайба крепится к втулке болтами. Коллектор является наиболее сложной в конструктивном отно­шении и наиболее ответственной в работе частью машины. Поверх­ность коллектора должна быть строго цилиндрической во избежа­ние биения и искрения щеток. Для соединения обмотки якоря с внешней цепью на коллекторе помещают неподвижные щетки, которые могут быть графитными, угольно-графитными или бронзо-графитными. В машинах высокого напряжения применяют графитные щетки, имеющие большое пере­ходное сопротивление между щеткой и коллектором, в машинах низкого напряжения — бронзо-графитные щетки. Щетки помещают в особых щеткодержателях (рис. 135, б). Щетка 4, помещенная в обойме щеткодержателя, прижимается пружиной 5 к коллектору. На каждом щеткодержателе может находиться несколько щеток, включенных параллельно. Щеткодержатели укрепляются на щеточных болтах-пальцах, которые, в свою очередь, закреплены на траверсе. Для укрепления на щеточном пальце щеткодержатель имеет отверстие. Щеточные пальцы изолируются от траверсы изоляционными шайбами и втулками. Число щеткодержателей обычно равно числу полюсов. Траверса устанавливается на подшипниковом щите в машинах малой и средней мощности или прикрепляется к станине в машинах больших мощностей. Траверсу можно поворачивать и этим изме­нять положение щеток относительно полюсов. Обычно траверса устанавливается в таком положении, при ко­тором расположение щеток в пространстве совпадает с располо­жением средних точек главных полюсов.

Читать еще:  Как проверить напряжение в розетке

Схема, особенности, принцип действия и устройство генератора постоянного тока

Эпоха электрификации началась не так давно и за пару столетий полностью изменила наш образ жизни. Посмотрите вокруг, везде, где только падает глаз, обязательно увидите какой-нибудь электрический прибор. Люди настолько привыкли к разным машинам, которые выполняют за них практически всю работу, что возникает иллюзия, будто бы так было всегда. Но заглянем за сторону завесы, скрывающей от нас процесс жизнедеятельности электрических друзей. Разберем принцип действия и устройство генератора постоянного тока.

Немного истории

Электричество наблюдали еще древние греки. Было замечено свойство янтаря притягивать к себе разные частицы. Люди считали это магнетизмом, присущим смоле. Но позже заметили способность и других материалов приобретать магнетизм. Например, стекло при натирании тоже начинало привлекать к себе мелкие легкие элементы: частицы бумаги, волоски и пыль. Так стало понятным, что магнитный эффект возникает по какому-то закону.

Впоследствии, в XVIII веке, был создан прототип современного конденсатора, окрещенный по имени изобретателя «лейденской банкой». Этот несложный механизм умел накапливать заряд, который в то время считали своеобразной жидкостью, насыщающей твердые тела и способной перетекать от одного тела к другому с поразительной скоростью – на несколько миль за доли секунд.

Когда был открыт атом и его составляющие ядро и электрон, все стало на свои места. Люди поняли, что именно электроны и являются теми зарядами, которые создавали такие необъяснимые явления, как электрические разряды. Но пока это были лишь статические заряды. С опытов Фарадея и Эрстеда берет свое начало электричество, которое мы знаем сейчас. Они изобрели макет-генератор постоянного тока, устройство и принцип действия которого основаны на явлении электродвижущей силы ЭДС.

Сила движения электричества

Как воды реки приводит в движение притяжение земли, так заряженные частицы в проводнике заставляет перемещаться ЭДС. Эта сила тесно связана с магнитным явлением, а именно появляется, как только меняется поток, создаваемый магнитом. ЭДС способна работать только в веществе, где всегда в наличии есть свободные заряды. Таким свойством обладают металлы и солевые растворы.

ЭДС тем больше, чем быстрее изменяется интенсивность магнитных волн. Как известно, магнит два полюса имеет всегда. В соответствии с тем, в каком направлении изменяется поток относительно проводника, ток в проводнике течет в ту или иную сторону. Положительные и отрицательные заряды сами создают между собой энергетическое поле, которое мы называем напряжением, оно тем больше, чем сильнее суммарный электрический заряд одноименного полюса.

Что такое электрический генератор?

Конструкция или машина, которая способна преобразовывать любую механическую силу в электрическую энергию, получила название генератора электричества. Принцип действия и устройство генератора постоянного тока связаны с магнетизмом. Если взять постоянный магнит и пересекать поле его напряженности проводником, то в последнем появляется сила, заставляющая двигаться в одном направлении заряженные частицы – появляется ток. То же самое будет происходить при неподвижном проводнике и движущемся магните.

Экспериментально учеными установлено, что величина тока тем больше, чем больше:

  • Величина магнитного потока между полюсами магнита.
  • Скорость пересечения линий напряженности.
  • Длина токоведущего провода.

Если же перемещать проводник параллельно тому, как идет поток, то индукции в нем не наблюдается. Из этого вывели закон правой руки, который помогает понять, в каком направлении движется ток. При расположении руки правой части тела ладонью так, чтобы в нее входили магнитные линии напряженного поля, а палец большой был отогнут и указывал туда, куда происходит движение проводника, оставшиеся четыре пальца покажут путь тока. В магните вектор движения поля направлен от севера к югу.

Читать еще:  Как проверить тестер

Схема работы элементарного генератора

Принцип действия и устройство генератора постоянного тока простого типа следующие: рамка изготовлена из токоведущего материала, насажена на ось и производит вращение между полюсами магнита. Каждый свободный конец рамки подсоединен к своему контакту, имеющему вид дугообразной пластины. Вместе контакты составляют окружность, разорванную в двух точках (коллектор). Эти полукруглые контакты подвижно соединены с подпружиненными проводящими щетками. Они снимают ток.

В пространстве рамка относительно контактов ориентирована так, что при пересечении каждой ее половины участков наибольшей величины магнитного потока щетки замкнуты на контактах. Когда же элементы рамки проходят фазу движения вдоль линий – щеточные контакты разомкнуты с коллектором.

Если подключить осциллограф, видно, что генератор постоянного тока устройство и принцип действия имеет такой, что выдает чередование полуволн, находящихся по одну сторону координат и изменяющих свое значение от нулевого к наивысшему и снова к нулю. Частота следования их зависит от скорости поворота рамки. Это означает, что ток в такой системе движется в одном направлении (постоянный), но имеет пульсирующий вид.

Принцип действия и устройство генератора постоянного тока

Реальный генератор тока постоянного устроен более сложно, хотя принцип его действия ничем не отличается от рассмотренного выше. Вместо одной рамки и пары полукруглых контактов он имеет множество рамок и контактов коллектора. Это, во-первых, повышает мощность такой машины, во-вторых, сглаживает пульсации тока, так как каждая рамка создает свою полуволну, которые, налаживаясь друг на друга, образуют суммарный ток. Такая вращающаяся система получила название якоря или ротора.

Магнит генератора тоже видоизменен. Его роль выполняет электромагнит, состоящий из обмотки и сердечника. Используя электромагниты, можно создавать большой магнитный поток, который не под силу для обычного постоянного. К тому же величину потока можно легко менять. Неподвижная часть генератора названа статором.

В зависимости от режима работы машины во время вращения вала, между статором и ротором наблюдаются следующие процессы:

  1. К генератору не подключена нагрузка. В случае такой холостой работы якорь производит вращение, в нем ЭДС наводится, но тока в обмотке нет, так как цепь не замкнута.
  2. Генератор постоянного тока, схема устройства которого подключена к цепи, работает в режиме нагрузки. В этом случае в якоре течет ток и появляется новая составляющая – магнитный поток, создаваемый якорем (реакция якоря). Этот поток движется в таком направлении, что противодействует основным силовым линиям, создаваемым электромагнитом. В результате реальная ЭДС будет ниже, то есть снижается мощность генератора. И чем больше нагрузка генератора, тем больше энергии тратится на преодоление реакции якоря при вращении вала.

Чтобы нивелировать магнитный поток якоря, в схему ротора вводят так называемые компенсационные обмотки, в которых образуется магнитный поток, ослабляющий реакцию якоря.

Типы генераторов, вырабатывающих постоянное электричество

Принцип действия и устройство генераторов постоянного тока отличаются по исполнению схемы возбуждения. Они бывают:

  • Магнитоэлектрическими. В них для создания магнитного потока применяют постоянные магниты. Такие машины, обычно небольшой мощности, имеют высокий КПД, так как нет потерь в обмотках возбуждения. Недостаток устройств в сложности регулирования.
  • Генераторами с независимой схемой возбуждения. Это устройства, обмотка электромагнитов которых запитана от сторонних источников питания: аккумулятора или генератора.
  • Самовозбуждающимися генераторами постоянного тока. Такие устройства питают электромагниты от своего же якоря. Главным условием самовозбуждения является остаточный магнитный поток. Конструкция, принцип действия генераторов и схема их включения бывает компаундной, шунтовой и сериесной.

Принцип работы и устройство генератора из электродвигателя

Принцип обратимости электрических машин говорит о том, что любой электродвигатель может быть преобразован в генератор и наоборот. Ведь оба этих устройства используют ЭДС индукции, как основу своей работы. Только в двигателе на ротор подают электрический ток, который, создавая магнитный поток, отталкивается от полюсов магнита статора, совершая вращательное движение.

Если же вал двигателя вращать с определенной скоростью, в обмотках якоря начнет наводиться ЭДС индукции и потечет ток. Ограничение лишь в толщине провода обмотки якоря. Когда провод тонкий, то получить большую мощность у такого генератора не получится.

Где нашел применение источник постоянного тока?

Несмотря на то что постоянное электричество можно получить методом выпрямления переменного, широко используют генератор постоянного тока. Принцип действия, схема такой машины незаменимы на металлургических предприятиях, в мощных электролизных установках заводов. В транспортной промышленности агрегаты работают в электровозах, пароходных судах. Для питания возбуждающих обмоток генераторов переменного тока на электростанциях также применимы источники постоянного напряжения. Для бытовых целей разработаны динамо-машины тока постоянного. Их можно увидеть на велосипедах, где они питают осветительные фары.

Заключение

Генераторы тока постоянной полярности хороши тем, что могут вырабатывать электричество при разной скорости вращения вала. В них не нужно выдерживать четкую частоту, как, например, у генераторов переменного тока, где она должна быть в 50 Гц. Такие машины очень удобно использовать в качестве альтернативных источников электричества, например в ветрогенераторах.

{SOURCE}

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector