Когда в проводнике, двигающемся в магнитном поле и пересекающем его магнитные силовые линии, индуктируется ЭДС. Следовательно, такой проводник может нами рассматриваться как источник электрической энергии.
Способ получения индуктированной ЭДС, при котором проводник перемещается в магнитном поле, двигаясь вверх или вниз, очень неудобен при практическом его использовании. Поэтому в генераторах применяется не прямолинейное, а вращательное движение проводника.
Основными частями всякого генератора являются: система магнитов или чаще всего электромагнитов, создающих магнитное поле, и система проводников, пересекающих это магнитное поле.
Возьмем проводник в виде изогнутой петли, которую в дальнейшем будем называть рамкой (рис. 1), и поместим ее в магнитное поле, создаваемое полюсами магнита. Если такой рамке сообщить вращательное движение относительно оси 00, то стороны ее, обращенные к полюсам, будут пересекать магнитные силовые линии и в них будет индуктироваться ЭДС.
Рис. 1. Индуктирование ЭДС в пелеобразном проводнике (рамке), вращающемся в магнитном поле
Присоединив к рамке при помощи мягких проводников электрическую лампочку, мы этим самым замкнем цепь, и лампочка загорится. Горение лампочки будет продолжаться до тех пор, пока рамка будет вращаться в магнитном поле. Подобное устройство представляет собой простейший генератор, преобразующий механическую энергию, затрачиваемую на вращение рамки, в электрическую энергию.
Такой простейший генератор имеет довольно существенный недостаток. Через небольшой промежуток времени мягкие проводника, соединяющие лампочку с вращающейся рамкой, скрутятся и разорвутся. Для того чтобы избежать подобных разрывов в цепи, концы рамки (рис.2) присоединяются к двум медные кольцам 1 и 2, вращающимся вместе с рамкой.
Эти кольца получили название контактных колец. Отведение электрического тока с контактных колец во внешнюю цепь (к лампочке) осуществляется упругими пластинками 3 и 4, прилегающими к кольцам. Эти пластинки называются щетками.
Рис. 2. Направление индуктированной ЭДС (и тока) в проводниках А и Б рамки, вращающейся в магнитном поле: 1 и 2 - контактные кольца, 3 и 4 - щетки.
При таком соединении вращающейся рамки с внешней цепью разрыва соединительных проводов не произойдет, и генератор будет работать нормально.
Рассмотрим теперь направление индуктирующейся в проводниках рамки ЭДС или, что то же самое, направление индуктированного в рамке тока при замкнутой внешней цепи.
При направлении вращения рамки, которое показано на рис. 2, в левом проводнике АА ЭДС будет индуктироваться в направлении от нас за плоскость чертежа, а в правом ВВ - из-за плоскости чертежа на нас.
Так как обе половины проводника рамки соединены между собой последовательно, то индуктированные ЭДС в них будут складываться, и на щетке 4 будет положительный полюс генератора, а на щетке 3 отрицательный.
Проследим за изменением индуктированной ЭДС за полный оборот рамки. Если рамка, вращаясь в направлении часовой стрелки, повернется на 90° от положения, изображенного на рис. 2, то половинки ее проводника в этот момент будут двигаться вдоль магнитных силовых линий, и индуктирование ЭДС в них прекратится.
Дальнейший поворот рамки еще на 90° приведет к тому, что проводники рамки снова будут пересекать силовые линии магнитного поля (рис. 3), но проводник АА будет при этом по отношению к силовым линиям двигаться не снизу вверх, а сверху вниз, проводник же ВВ, наоборот, будет пересекать силовые линии, двигаясь снизу вверх.
Рис. 3. Изменение направления индуктированной э. д. с. (и тока) при повороте рамки на 180° по отношению к положению, приведенному на рис. 2.
При новом положении рамки направление индуктированной ЭДС в проводниках АЛ и ВВ изменится на обратное. Это следует из того, что самое направление, в котором каждый из этих проводников пересекает в этом случае магнитные силовые линии, изменилось. В результате полярность щеток генератора также изменится: щетка 3 станет теперь положительной, а щетка 4 отрицательной.
Таким образом, за один полный оборот рамки индуктированная ЭДС дважды меняла свое направление, причем величина ее за это же время также дважды достигала наибольших значений (когда проводники рамки проходили под полюсами) и дважды равнялась нулю (в моменты движения проводников вдоль магнитных силовых линий).
Вполне понятно, что изменяющаяся по направлению и величине ЭДС вызовет в замкнутой внешней цепи изменяющийся по направлению и величине электрический ток.
Так, например, если к зажимам данного простейшего генератора присоединить электрическую лампочку, то за первую половину оборота рамки электрический ток через лампочку будет идти в одном направлении, а за вторую.половину оборота - в другом.
Рис. 4. Кривая изменения индуктированного тока за один оборот рамки
Представление о характере изменения тока при повороте рамки на 360°, т. е. за один полный оборот, дает кривая на рис. 4. Электрический ток, непрерывно изменяющийся по величине и направлению, носит название .
Такая машина предназначена для генерации постоянного тока с применением перемещения проводника в магнитном поле. В данной статье рассмотрены физические принципы работы, конструкторские схемы, расчёт и сфера применения этого устройства.
Промышленный генератор постоянного тока
Генерация электроэнергии
На рисунке ниже изображён простейший опыт, который помогает понять принцип действия генератора.
Образование тока при движении проводника
Если переместить проводник в пространстве так, чтобы он пересекал линии магнитного поля, то в нём образуется электродвижущая сила (ЭДС). Это явление называют индукцией. При замыкании свободных концов в цепи будет течь ток, который можно использовать для питания лампы накаливания, или другой полезной нагрузки.
На рисунке изображена правая рука с отогнутым в сторону перемещения проводника большим пальцем. Этот простой способ используют для наглядного определения направления тока в цепи.
Для получения необходимого результата допустимо передвижение, как проводника, так и магнита.
По указанной выше схеме действующую машину создать не получится. Но следующий вариант вполне применим на практике.
Схема устройства и ЭДС на выходе
На рисунке изображена рамка, вращающаяся в магнитном поле (направление силовых линии обозначены стрелкой «В»). Съёмники энергии – это специальные щётки. Рамка присоединена к половинам колец (коллекторам), разъединённым электрически с помощью особых изолирующих вставок. На выходе этого устройства электродинамическая сила будет изменяться в соответствии с приведённым графиком. Её величину определяет расчёт на основе следующей формулы:
е=2В*n, где
В – это поток созданного магнитного поля в Вб;
n – количество полных оборотов рамки за одну секунду.
Из формулы понятно, что получить больше электроэнергии можно двумя способами. Для этого надо увеличить скорость вращения либо повысить силу магнитного поля.
Уменьшение пульсации
На графике, который изображён выше, указан уровень е ср. Если бы удалось стабилизировать ЭДС генератора на соответствующем значении, был бы получен нужный результат. Как такая задача решается на практике, видно из следующего рисунка.
Сглаживание электромагнитных колебаний с помощью нескольких рамок
Выходные электрические параметры этой машины далеки от идеала. Но ясно, что последовательное увеличение количества рамок позволит получить достаточно равномерный верхний уровень. Позитивное влияние в этом случае будут оказывать переходные процессы и взаимодействие электромагнитных полей, ведь приведённые графики иллюстрируют только примерные данные. Но даже в таком варианте ЭДС генератора на выходе будет изменяться не на всю амплитуду, а лишь на величину от Е min до Е max .
Увеличение количества рамок (витков обмоток генератора) и коллекторов поможет сгладить колебания на выходе.
Опытным путём можно подтвердить, что применение 20-22-х коллекторные конструкции позволят снизить пульсации ЭДС до 1-0,9%. Такие изменения на выходе генератора вполне приемлемы для решения многих практических задач.
Особенности работы генератора
Выше было отмечено улучшение качества электрических параметров при увеличении числа витков в обмотках. Но такое решение позволит получить ещё один положительный эффект. С его помощью увеличивают индуцируемую ЭДС на выходе в расчёте на один оборот ротора. Такой приём используют для того, чтобы генератор постоянного тока выполнял свои функции с высоким коэффициентом полезного действия.
С целью дальнейшего улучшения работы машины, конструкторы изучили возможности постоянных магнитов. Они способны выполнять свои полезные функции в автономном режиме без подключения к внешнему источнику энергии. Однако более сильное поле с помощью таких решений создать невозможно. Необходимый результат могут обеспечить только электромагниты.
Точный расчёт в этом случае будет сделать проще.
Выше были рассмотрены «идеальные» ситуации. Но при реализации конкретных проектов возникали разные затруднения. Например, необходимо было найти материал, который обеспечит хорошую электрическую проводимость, но одновременно не будет провоцировать ускоренный износ поверхности коллектора. Решение известно – это графитовые стержни, которые прижимаются с помощью пружин. Такие изделия сами постепенно истираются. Поэтому необходим определённый запас щёток для своевременной замены.
Для описания другой проблемы нужно пояснить некоторые процессы при вращении ротора в магнитном поле. Необходимо привести определения следующих базовых понятий:
- геометрической нейтралью называют линию, которая проведена на равном расстоянии от северного и южного полюса;
- физической называют такую линию, которая условно разделяет области воздействия полей, создаваемые электрической машиной.
В статическом положении эти линии совпадают. Но при начале вращения геометрическая – остаётся на своём месте, а физическая – отклоняется на определённый угол. Определённое влияние на этот процесс оказывает индуцированный ток, который индуцирует якорь. Суммарное воздействие всех полей ещё больше увеличивает угол смещения нейтрали (в сторону вращения ротора).
Чтобы максимально усилить эффективность генерации, графитовые стержни должны соприкасаться в месте выхода условной физической линии из коллектора.
Для этого точку прижима щёток смещают относительно геометрической центральной оси. При отклонении возникают электрические потери, образуются искры, которые попадают на коллекторные пластины. В такой ситуации появляющаяся окалина ухудшает проводимость, что ещё более снижает КПД установки.
Понятно, что в реальных условиях, когда нагрузка на выходе генератора изменяется, пришлось бы постоянно выполнять коррекцию положения щёток. Никакой расчёт в этом случае не поможет, ведь механическое перемещение щёток было бы слишком сложным. Чтобы исключить подобные вредные влияния устанавливают дополнительные полюсы. С их помощью создают магнитное поле. Оно компенсирует искажения, которые вносит якорь. Эти же части конструкции выполняют ещё одну важную функцию. При правильной настройке они нейтрализуют броски, при изменении направления тока в каждый момент, когда якорь переходит через нейтраль.
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.
Графики электрических параметров генератора постоянно тока с независимым возбуждением обмотки
В этом эксперименте якорь вращается с неизменной скоростью (n 1), 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.
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 схемы | Особенности | Применение |
|---|---|---|
| Последовательная | Очень 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. |
| Параллельная | Подключение нагрузки осуществляется только после достижения номинального значения выходного напряжения. | Эта схема подходит для создания генераторов, которые вырабатывают электроэнергию для заряда аккумуляторных батарей. |
| Смешанная | Низкое 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 генератора и расчёт
Устройства этого типа вытесняются аналогичными установками переменного тока, которые менее критичны к нагрузкам, обладают хорошими эксплуатационными характеристиками. Расчёт промышленного генератора выполняется специализированным конструкторским бюро.
На следующем рисунке приведена конструкция типичного генератора.
Конструкция генератора постоянного тока в разрезе
Использованы следующие обозначения:
- 1, 2 – сердечник и катушка основного полюса;
- 3 – наконечник;
- 4, 5 – сердечник и катушка добавочного полюса;
- 6 – станина;
- 7 – ярмо;
- 8 – подшипник;
- 9, 11 – сердечник и обмотка якоря;
- 10 – вентилятор;
- 12 – коллектор;
- 13 – щёточный палец.
Видео. Модель генератора постоянного тока
Самостоятельный расчёт и создание генератора постоянного тока своими руками вряд ли целесообразны. При необходимости не будет трудно найти и приобрести устройство с нужными параметрами. Конструкция его слишком сложна для качественного воспроизведения в домашних условиях.
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
Сила движения электричества
Как воды реки приводит в движение притяжение земли, так заряженные частицы в проводнике заставляет перемещаться ЭДС. Эта сила тесно связана с 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 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.
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:
- 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.
- 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.
Одним из наиболее распространенных электрических устройст в является генерато р постоянного тока, принцип действия которого основан на таких понятиях, как электромагнитная сила и индукция. Согласно принципу обратимости электрических машин, данное устройст во, в конкретных условиях, может выполнять функцию и генерато ра и электродвигателя.
Составные части генерато ра
Генерато р постоянного тока состоит из двух основных частей - якоря и станины, где расположены электромагниты. На внутренней стороне станины устанавливаются сердечники полюсов, концы которых имеют полюсные наконечники. С помощью наконечников, более равномерно распределяется по окружности якоря.
На сердечники надеваются катушки, входящие в состав обмотки возбуждения. Сама станина играет роль замыкающей части. Здесь расположены еще и дополнительные полюса, которые находятся между главными полюсами. Их катушки имеют последовательное соединение с якорем. Дополнительные полюса позволяют избежать появления искр на щетках коллектора, что значительно улучшает коммутацию.
Вращающаяся часть генератора называется ротором или якорем, имеющим цилиндрическую форму. Материалом для него служит листовая электротехническая сталь, толщиной до 1 мм. В пазах якоря размещена обмотка, которая соединяется в цепь с коллектором, установленным на якорном валу. Коллектор представляет собой ряд медных пластин, изолированных между собой. Коллектор взаимодействует с угольными или медными щетками, неподвижно установленными в специальных щеткодержателях.
Принцип действия
Генерато р постоянного тока содержит две электрические цепи -якоря и возбуждения. С помощью постоянного тока, проходящего через цепь возбуждения и обмотку возбуждения, происходит создание основного магнитного поля.
В том случае, когда у генерато ра не два полюса, а четыре, то для обмотки якоря необходимо четыре щетки, попарно соединенные между собой. С помощью этих щеток обмотка разделяется на параллельные ветви, в количестве двух пар.
Когда к первичному двигателю прикладывается посторонняя механическая сила, происходит возбуждение и в якоре появляется электродвижущая сила. После этого, с помощью коллектора и щеток, постоянный ток уходит к внешней цепи. В этом случае устройст во работает в качестве генерато ра. Когда к якорю и обмотке возбуждения подключается постоянное напряжение, то проходящий через обмотку электрический ток, взаимодействует с полем, создавая вращающий момент, который приводит якорь в движение. В таком варианте, генератор функционирует как электродвигатель.
Рис. 1. Вращение в магнитном поле рамки
Рассмотрим рис. 1. При вращении в магнитном поле рамки, концы которой присоединены к двум полукольцам, вращающимся вместе с рамкой, в последней возникает переменная . Как уже известно, эта э. д. с. изменяется по синусоиде и зависит от положения, занимаемого проводниками а и б в магнитном поле.
Наибольшая э. д. с. возникает в тот момент, когда проводник находится на оси полюсов N и S. В момент расположения проводников в плоскости, перпендикулярной оси полюсов, э. д. с. равна нулю — проводники находятся на нейтральной линии.
Предположим, что рамка вращается по часовой стрелке. Тогда ток в проводнике, находящемся под северным полюсом, направлен от нас за плоскость чертежа, а в проводнике, находящемся под южным полюсом, к нам. Пока проводника расположен под северным полюсом, соединенное с проводником полукольцо имеет контакт с неподвижной щеткой А.
Соответственно проводник б имеет контакт через свое полукольцо со щеткой Б. По щетке А течет ток положительного направления, а по щетке Б — отрицательного.
Когда проводники находятся на нейтральной линии, т. е. э. д. с. в них равна нулю, щетки замыкают оба полукольца накоротко. Пройдя нейтральную линию, проводник а вступает в зону южного полюса, направление тока в нем изменится на обратное (к нам), но в это время данный проводник входит в контакт со щеткой Б. Следовательно, несмотря на то, что направление тока в проводнике изменилось, направление тока в щетке Б не меняется и по- прежнему остается отрицательным. Аналогичная картина происходит и с проводником б, после того как он перейдет в зону действия северного полюса.
Рис. 2. Четыре проводника в магнитном поле
Таким образом, по внешней цепи направление тока сохраняется постоянным.
В рассмотренном случае при сохранении постоянства направления ток будет изменяться от наибольшего значения до нуля, иначе говоря, будет пульсирующим.
Если в магнитном поле расположить не два проводника, а четыре, соединенные с четырьмя изолированными друг от друга частями кольца, то пульсация тока значительно сгладится (рис. 2).
Описанное устройство из двух или четырех частей кольца, служащее для выпрямления тока, является простейшим коллектором .
Фактически коллектор состоит из значительного числа сегментов, каждый из которых соединен с двумя проводниками обмотки якоря. В этом случае ток, вырабатываемый генератором, будет практически постоянным как по направлению, так и по величине.
Устройство генераторов постоянного тока
Обратимы, т. е. могут работать в режиме генератора или в режиме двигателя.
Обратимость машин объясняется общностью явлений, используемых в генераторах и двигателях.
Ознакомление с машинами постоянного тока начнем с генераторов. Укажем, что вследствие общности принципов основные элементы конструкции генераторов и одни и те же.
Обратимся к рис. 3, на котором представлен чертеж продольного и поперечного разрезов генератора.
Та часть машины, в которой создается магнитный поток, называется магнитной системой (индуктором). Магнитная система состоит из основных и добавочных полюсов, ярма и стали якоря.
Основные полюсы имеют сердечники 1, собранные из листовой электротехнической стали. На сердечники надеты катушки 2, через которые пропускают ток возбуждения, создающий основной магнитный поток. Иногда на основных полюсах располагают и компенсационные обмотки, которые создают добавочный магнитный поток. Сердечники полюсов со стороны, обращенной
Рис. 3. Чертеж продольного и поперечного разрезов генератора
к якорю, заканчиваются полюсными наконечниками 3, служащими для улучшения условий прохождения потока через воздушный зазор (полюсные наконечники увеличивают сечения магнитопровода на участке «воздушный зазор» и выравнивают поле в зазоре).
Добавочные полюсы 4, имеющие катушки 5, располагаются между основными полюсами. Назначение их — создавать добавочный магнитный поток. Назначение потоков, создаваемых компенсационными обмотками и добавочными полюсами, мы разъясним ниже.
Ярмо 7 — чугунное или стальное — служит для проведения магнитного потока основных и добавочных полюсов, а также для крепления их. Ярмо является частью станины 6 (неподвижной части машины), при помощи которой машина крепится к фундаменту.
Часть электрической машины, содержащая обмотку, в которой индуктируется э. д. с., называется якорем.
Якорь представляет собой железный цилиндр 9, на поверхности которого сделаны впадины — пазы; в них укладывают обмотку 12. Поверх обмотки накладывают кольца-бандажи 13, увеличивающие надежность крепления обмотки. Чтобы уменьшить вредные вихревые токи, появляющиеся в теле якоря при вращении его в магнитном поле, якорь набирают из штампованных дисков специальной электротехнической стали толщиной 0,5 мм. Диски изолируют друг от друга специальной бумагой или покрывают тонким слоем изолирующего лака. Для отвода тепла устроен вентиляционный канал 10. Диски укрепляются на валу машины. Постель подшипника вала обозначена цифрой 8. Для устранения чрезмерного нагрева генератора при работе в его кожухе имеется вентилятор 11.
На одном валу с якорем насажен коллектор 14. Коллектор представляет собой полый барабан, собранный из медных пластин, внутренняя сторона которых имеет вид ласточкина хвоста. Коллекторные пластины изолируют друг от друга миканитовыми прокладками (миканит — материал, изготовляемый из слюды путем склейки тонких пластин лаками).
Коллекторные пластины изолируют и от металлической втулки, на которой они крепятся, при помощи специальной миканитовой прокладки. Коллектор является одной из наиболее ответственных частей машины.
На рис. 4 представлен разрез коллектора, на котором хорошо видны медные пластины 1, крепящиеся на валу при помощи стальной муфты 2 и кольца 3. Муфта закреплена на валу шпонкой 4. Кольцо 3 прижимается к муфте гайкой 5.
Рис. 4. Разрез коллектора
Над коллектором укрепляются в щеткодержателях 15 (см. рис. 3) опирающиеся на коллектор щетки. Щетки вставляются в гнезда щеткодержателей и прижимаются к коллектору пружиной, натяжение которой можно регулировать. Щетки должны обеспечивать хороший контакт, чтобы при работе не вызывать повышения сопротивления и нагрева.
В применяются главным образом угольные, медно-графитные и графитные щетки. Общий вид щеткодержателя дан на рис. 5.
Рис. 5. Общий вид щеткодержателя
Части машины — вал, подшипники, фундаменты, плиты, станина, — не связанные с электромагнитным процессом, называются конструктивными в отличие от перечисленных выше основных частей, которые составляют активную часть машины.
Вал машины изготовляется из стали. К средней части его крепится сталь якоря. На одном конце вала укрепляется коллектор, а на второй свободный конец вала насаживается шкив или какое-либо другое устройство (муфта, зубчатое колесо и т. п.) для соединения машины с приводимым механизмом (у электродвигателя) или с первичным двигателем (у генератора).
Вал лежит в подшипниках. В электрических машинах применяют подшипники с кольцевой смазкой, шариковые и роликовые.
Рис. 6. Подшипники с кольцевой смазкой
В подшипниках с кольцевой смазкой (рис. 6) имеются вкладыши, плотно пригнанные к цапфам и шейке вала. В больших машинах каждый вкладыш состоит из двух частей (половинок). В верхней части вкладыша имеются прорези, которые позволяют наложить на верхнюю часть вала медные кольца К.
Диаметр колец в полтора-два раза больше диаметра вала, поэтому каждое кольцо касается только верхней части вала. Нижняя часть кольца все время погружена в масло, наливаемое в корпус подшипника. При вращении вала медные кольца вследствие трения вращаются по валу. Масло, прилипая к кольцам, подается вверх к вкладышу, откуда по специальным канавкам во вкладыше растекается по всей трущейся поверхности, а затем стекает обратно в нижнюю часть корпуса подшипника.
Подшипники больших машин устанавливаются отдельно от остова машины на особых стойках, укрепленных на ее фундаментной плите, а у машин малой и средней мощности отливаются заодно с так называемыми подшипниковыми щитами, которые крепятся к остову машины болтами.
Шарикоподшипники укрепляются в расточках подшипниковых щитов.
На корпусе машины обычно устанавливается клеммная коробка, в которой имеются изолированные друг от друга и от корпуса машины болтовые зажимы — клеммы, служащие для соединения цепей машины и соединения машины с сетью.
Охлаждение всех частей машины обеспечивается соответствующей вентиляционной системой.
Большая часть современных машин имеет принудительное охлаждение — напор охлаждающего воздуха создается вентилятором. Часто вентилятор сам является частью электрической машины (см. рис. 3).
Основные неподвижные части электрической машины образуют статор , вращающиеся — ротор .
Рис. 7. Обмотка якоря
Рис. 8. Укладка секций
В машинах постоянного тока якорь является ротором, а магнитная система — статором.
Обмотка якоря состоит из отдельных секций (рис. 7). Секция состоит из одного или нескольких витков, концы которых присоединяются к коллекторным пластинам таким образом, чтобы все секции были соединены между собой через коллекторные пластины, т. е. к каждой коллекторной пластине присоединяются конец одной секции и начало другой. Каждая секция состоит из двух сторон (в каждой стороне в зависимости от числа витков в секции имеется один или несколько проводников). Эти стороны называются активными частями секций, в них индуктируются э. д. с. Наружные (торцовые) части секций служат только для соединения активных сторон и присоединения их к коллекторным пластинам.
Каждую секцию укладывают так, что одна ее сторона располагается в верхней части паза под полюсом одной полярности, а другая — в нижней части другого паза под полюсом другой полярности (рис. 8).
Расположение активных сторон секций под полюсами разных полярностей является основным правилом выполнения обмоток, так как только при этом условии индуктирующиеся в них э. д. с. будут складываться.
На рис. 8 для простоты показано шесть одновитковых секций; в каждой стороне секции имеется один провод. Верхние стороны секций имеют нечетные номера; нижние — четные.
Первая секция состоит из двух сторон 1 и 6; вторая — 3 и 8; третья — 5 и 10; четвертая — 7 и 12; пятая — 9 и 2; шестая 11 и 4.
Все секции соединяются через коллекторные пластины и представляют замкнутую цепь. Пунктиром показаны соединения активных сторон секции со стороны, противоположной коллектору; сплошными линиями — соединение сторон секции через коллектор.
На коллектор накладываются неподвижные щетки для отвода тока во внешнюю цепь, как показано на рис. 8. Одна щетка является положительным полюсом генератора, другая — отрицательным.
В машинах большой мощности приходится создавать значительный магнитный поток. Создание такого потока одной парой полюсов привело бы к весьма громоздким магнитным системам. Поэтому машины большой мощности обычно выполняются с несколькими парами полюсов.
Многополюсные машины являются более компактными и менее тяжелыми, чем машины той же мощности с одной парой полюсов.
Полюсы располагаются равномерно вокруг якоря, полярность их чередуется: за северным полюсом следует южный и т. д.
В многополюсных генераторах в зависимости от способа выполнения обмотки якоря устанавливаются либо две щетки, либо столько щеток, сколько полюсов имеет генератор. Положительные и отрицательные щетки соответственно соединяются вместе; в результате из генератора выходят два провода: к положительному и отрицательному зажимам.
Для определения э. д. с. в каждом проводнике, согласно закону электромагнитной индукции, необходимо и достаточно определить число магнитных линий, пересекаемых проводником в одну секунду. Зная э. д. с. в одном проводнике и способ соединения проводников между собой, можно определить э. д. с. генератора.
Пусть каждого полюса Ф вб, а число полюсов (которое всегда бывает четным) машины равно 2р. Тогда число магнитных линий, пересекаемых проводником в течение каждого оборота якоря, равно 2рФ. Если скорость вращения якоря n об/мин
или n/60 об/сек, то число магнитных линий, пересекаемых одним проводником в секунду, равно 2рФ n/60 и средняя э. д. с., индуктированная в одном проводнике обмотки якоря, е ср = 2рФ n/60 в.
Определим э. д. с., индуктированную в обмотке, состоящей из N проводников. Если бы все проводники были соединены последовательно, э. д. с. в обмотке была бы равна средней э. д. с., индуктированной в одном проводнике, е ср, умноженной на N.
Все проводники никогда не соединяются последовательно. Обычно обмотка состоит из нескольких параллельных ветвей.
Если число параллельных ветвей (всегда четное) равно 2а, то число последовательно соединенных проводников равно N/2а. Очевидно, что э. д. с. всего генератора равна средней э. д. с. одного проводника е ср, умноженной на число последовательно соединенных проводников N/2а, т. е. Е = n/60 NФ p/a в.
Обозначив N p/60a буквой с, получим Е = сnФв (в этой формуле магнитный поток Ф выражается в веберах).
Возбуждение генераторов
Процесс создания магнитного потока в генераторе называется возбуждением , а обмотка, уложенная на полюсы, называется обмоткой возбуждения .
Генератор, обмотка возбуждения которого получает ток от постороннего источника (например, ), называется генератором с независимым возбуждением . Генератор независимого возбуждения требует наличия дополнительного (кроме самого генератора) источника э. д. с. Последним обстоятельством и объясняется предпочтительное применение генераторов с самовозбуждением , в обмотке возбуждения которых протекает ток, вырабатываемый самим генератором.
В момент пуска такого генератора величины потоков в его магнитных цепях определяются остаточной индукцией. По мере увеличения напряжения на зажимах генератора и, следовательно, роста тока в обмотке возбуждения растет индукция в магнитных цепях генератора и, следовательно, поток Ф. Поток будет расти до тех пор, пока не наступит насыщение магнитной системы.
Обмотка возбуждения генераторов с самовозбуждением может быть включена последовательно или параллельно внешней цепи. Обмотка, включаемая параллельно якорю, называется параллельной (шунтовой). Обмотка, включаемая во внешнюю цепь последовательно нагрузке, называется последовательной (сериесной). Генераторы обычно имеют обмотку возбуждения либо включенную параллельно внешней цепи — такие генераторы называются генераторами параллельного возбуждения , либо состоящую из двух частей: параллельной и последовательной— такие генераторы называются генераторами смешанного (компаундного) возбуждения .
Генераторы с одной последовательной обмоткой возбуждения не применяются вследствие сильной зависимости тока возбуждения, а следовательно, и напряжения генератора от тока нагрузки.
Выбор способа возбуждения генераторов (параллельного или смешанного) в каждом отдельном случае определяется предполагаемой мощностью генератора и условиями его эксплуатации.
При коротком замыкании во внешней цепи ток возбуждения в последовательной обмотке генератора смешанного возбуждения возрастает. Э. д. с., развиваемая генератором, растет, а напряжение на зажимах остается практически неизменным. Генератор вырабатывает ток, достигающий значений, при которых генератор разрушается.
При коротком замыкании генератора параллельного возбуждения падает развиваемое им напряжение, ток в обмотке возбуждения и, следовательно, поток возбуждения и индуктируемая в якоре э. д. с.
Генератор выдерживает бросок тока при коротком замыкании без всяких последствий (из этого не следует, однако, что генератор выдерживает длительные перегрузки; последние приводят к обугливанию изоляции обмоток якоря и аварии генератора).
На рис. 9 показана принципиальная схема генератора смешанного возбуждения. На каждом полюсе генератора имеются две обмотки. Одна из них ВШ подключена к зажимам генератора (параллельная обмотка ), другая ВС включена последовательно нагрузке (последовательная обмотк а).
Рис. 9. Принципиальная схема генератора смешанного возбуждения
Для регулирования тока в параллельной обмотке ВШ последовательно с ней включается регулируемое сопротивление rш, называемое регулировочным реостатом .
Если генератор не имеет последовательной обмотки возбуждения (генератор параллельного возбуждения), то с увеличением нагрузки напряжение на зажимах генератора уменьшается.
При наличии последовательной обмотки с увеличением тока основной поток, создаваемый совместным действием последовательной и параллельной обмоток возбуждения, увеличивается (при условии, что потоки, создаваемые токами обеих обмоток, складываются).
Соответствующим подбором числа витков последовательной обмотки можно добиться такого увеличения основного магнитного потока, что напряжение на зажимах генератора при изменяющейся нагрузке будет оставаться постоянным. Таким образом, при помощи последовательной обмотки возбуждения достигается саморегулирование напряжения на зажимах генератора.
На судах, согласно правилам , устанавливают генераторы со смешанным возбуждением. Это вызывается необходимостью иметь постоянное напряжение на зажимах генератора при изменяющейся нагрузке, например, во время работы палубных механизмов.
Напряжение на зажимах генератора определяется формулой U = E - I я r я
В этой формуле Е — з. д. с. генератора, r я — сопротивление цепи якоря, I я — ток в якоре.
Магнитный поток Ф, определяющий э. д. с. генератора, при холостом ходе создается только током в параллельных катушках полюсов. При нагрузке машин в обмотке якоря проходит ток.
Этот ток создает магнитное поле, называемое полем реакции якоря. От совместного действия магнитного поля полюсов и поля реакции якоря создается результирующее поле, которое и определяет э. д. с. генератора.
Реакция якоря
Реакцией якоря называется действие поля, создаваемого током обмотки якоря (поле реакции якоря), на основное магнитное поле.
Сталь якоря под действием магнитного потока, создаваемого током в обмотке якоря, намагничивается. Как легко убедиться из рис. 2, в левой части якоря образуется северный полюс, а в правой — южный, что следует из , если применить его к проводникам, лежащим под северным и под южным основными полюсами (при условии вращения якоря по часовой стрелке).
Таким образом, поле реакции якоря будет направлено поперек основного поля. В результате совместного действия этих полей магнитное поле в левой части основного северного полюса будет ослаблено, а в правой части — сгущено. Соответственно магнитное поле будет ослаблено в правой части южного основного полюса и сгущено в его левой части. Ось результирующего магнитного поля будет сдвинута в сторону вращения. В сторону вращения сместится и нейтральная линия.
При малом магнитном насыщении стали основных полюсов величина магнитного поля практически не изменяется (с одной стороны — разрежение, с другой — сгущение магнитных линий).
При сильном насыщении стали основных полюсов результирующее поле уменьшается, так как магнитное сопротивление в сгущенной части поля увеличивается.
Чтобы уменьшить действие реакции якоря, между главными полюсами устанавливают добавочные полюсы, а на главных полюсах укладывается дополнительная, так называемая компенсационная обмотка. Обмотка добавочных полюсов и компенсационная включается последовательно с обмоткой якоря с таким расчетом, чтобы создаваемое ими поле было направлено навстречу полю реакции якоря.
Компенсационные обмотки и добавочные полюсы уменьшают также искрение под щетками, являющееся следствием реакции якоря.
Под действием поля реакции якоря в генераторах создается тормозящий момент, а в электродвигателях Администрация блога отрицательно относится к нарушению авторских прав на www.сайт. Поэтому, если Вы являетесь правообладателем исключительных прав на любой материал, предоставленный на ресурсе, то сообщите нам через контакты и мы моментально примем все действия для удаления Вашего материала.
⇓ОБСУДИТЬ СТАТЬЮ⇓
