Как работает генератор постоянного тока

Генераторы постоянного тока

Принцип действия генератора постоянного тока

Работа генератора основана на использовании закона электромагнитной индукции, согласно которому в проводнике, движущемся в магнитном поле и пересекающем магнитный поток, индуцируется э д. с.

Одной из основных частей машины постоянного тока является магнитопровод, по которому замыкается магнитный поток. Магнитная цепь машины постоянного тока (рис. 1) состоит из неподвижной части — статора 1 и вращающейся части — ротора 4. Статор представляет собой стальной корпус, к которому крепятся другие детали машины, в том числе магнитные полюсы 2. На магнитные полюсы насаживается обмотка возбуждения 3, питаемая постоянным током и создающая основной магнитный поток Ф0.

Рис. 1. Магнитная цепь машины постоянного тока с четырьмя полюсами

Рис. 2. Листы, из которых набирают магнитную цепь ротора: а — с открытыми пазами, б — с полузакрытыми пазами

Ротор машины набирают из стальных штампованных листов с пазами по окружности и с отверстиями для вала и вентиляции (рис. 2). В пазы (5 на рис. 1) ротора закладывается рабочая обмотка машины постоянного тока, т. е. обмотка, в которой основным магнитным потоком индуцируется э. д. с. Эту обмотку называют обмоткой якоря (поэтому ротор машины постоянного тока принято называть якорем).

Значение э. д. с. генератора постоянного тока может изменяться, но ее полярность остается постоянной. Принцип действия генератора постоянного тока показан на рис. 3.

Полюсы постоянного магнита создают магнитный поток. Представим, что обмотка якоря состоит из одного витка, концы которого присоединены к различным полукольцам, изолированным друг от друга. Эти полукольца образуют коллектор, который вращается вместе с витком обмотки якоря. По коллектору при этом скользят неподвижные щетки.

При вращении витка в магнитном поле в нем индуцируется э. д. с

где В — магнитная индукция, l — длина проводника, v — его линейная скорость.

Когда плоскость витка совпадает с плоскостью осевой линии полюсов (виток расположен вертикально), проводники пересекают максимальный магнитный поток и в них индуцируется максимальное значение э. д. с. Когда виток занимает горизонтальное положение, э. д. с. в проводниках равна нулю.

Направление э. д. с. в проводнике определяется по правилу правой руки (на рис. 3 оно показано стрелками). Когда при вращении витка проводник переходит под другой полюс, направление э. д. с. в нем меняется на обратное. Но так как вместе с витком вращается коллектор, а щетки неподвижны, то с верхней щеткой всегда соединен проводник, находящийся под северным полюсом, э. д. с. которого направлена от щетки. В результате полярность щеток остается неизменной, а следовательно, остается неизменной по направлению э. д. с. на щетках — ещ (рис. 4).

Рис. 3. Простейший генератор постоянного тока

Рис. 4. Изменение во времени э.д.с. простейшего генератора постоянного тока

Хотя э. д. с. простейшего генератора постоянного тока постоянна по направлению, по значению она изменяется, принимая за один оборот витка два раза максимальное и два раза нулевое значения. Э. д. с. с такой большой пульсацией непригодна для большинства приемников постоянного тока и в строгом смысле слова ее нельзя назвать постоянной.

Для уменьшения пульсаций обмотку якоря генератора постоянного тока выполняют из большого числа витков (катушек), а коллектор — из большого числа коллекторных пластин, изолированных друг от друга.

Рассмотрим процесс сглаживания пульсаций на примере обмотки кольцевого якоря (рис. 5), состоящей из четырех катушек (1, 2, 3, 4), по два витка в каждой. Якорь вращается по направлению часовой стрелки с частотой n и в проводниках обмотки якоря, расположенных на внешней стороне якоря, индуцируется э. д. с. (направление показано стрелками).

Обмотка якоря представляет собой замкнутую цепь, состоящую из последовательно соединенных витков. Но относительно щеток обмотка якоря представляет собой две параллельные ветви. На рис. 5, а одна параллельная ветвь состоит из катушки 2, вторая — из катушки 4 (в катушках 1 и 3 э. д. с. не индуцируется, и они обеими концами соединены с одной щеткой). На рис. 5, б якорь показан в положении, которое он занимает через 1/8 оборота. В этом положении одна параллельная ветвь обмотки якоря состоит из последовательно включенных катушек 1 и 2, а вторая — из последовательно включенных катушек 3 и 4.

Рис. 5. Схема простейшего генератора постоянного тока с кольцевым якорем

Каждая катушка при вращении якоря по отношению к щеткам имеет постоянную полярность. Изменение э. д. с. катушек во времени при вращении якоря показано на рис. 6, а. Э. д. с. на щетках равна э. д. с. каждой параллельной ветви обмотки якоря. Из рис. 5 видно, что э. д. с. параллельной ветви равна или э. д. с. одной катушки, или сумме э. д. с. двух соседних катушек:

В результате этого пульсации э. д. с. обмотки якоря заметно уменьшаются (рис. 6, б). При увеличении числа витков и коллекторных пластин можно получить практически постоянную э. д. с. обмотки якоря.

Конструкция генераторов постоянного тока

В процессе технического прогресса в электромашиностроении конструктивный вид машин постоянного тока изменяется, хотя основные детали остаются теми же.

Рассмотрим устройство одного из типов машин постоянного тока, выпускаемых промышленностью. Как указывалось, основными частями машины являются статор и якорь. Статор 6 (рис 7), изготовленный в виде стального цилиндра, служит как для крепления других деталей, так и для защиты от механических повреждений и является неподвижной частью магнитной цепи.

К статору крепятся магнитные полюсы 4, которые могут представлять собой постоянные магниты (у машин малой мощности) или электромагниты. В последнем случае на полюсы насаживается обмотка возбуждения 5, питаемая постоянным током и создающая неподвижный относительно статора магнитный поток.

При большом числе полюсов их обмотки включают параллельно или последовательно, но так, чтобы северный и южный полюсы чередовались (см. рис. 1). Между главными полюсами располагаются добавочные полюсы со своими обмотками. К статору крепятся подшипниковые щиты 7 (рис. 7).

Якорь 3 машины постоянного тока набирается из листовой стали (см. рис. 2) для уменьшения потерь мощности и от вихревых токов. Листы изолируются друг от друга. Якорь является подвижной (вращающейся) частью магнитопровода машины. В пазы якоря укладывается обмотка якоря, или рабочая обмотка 9.

Рис. 6. Изменение во времени э.д.с катушек и обмотки кольцевого якоря

В настоящее время выпускаются машины с якорем и обмоткой барабанного типа. Рассмотренная ранее обмотка кольцевого якоря имеет недостаток, заключающийся в том, что э. д. с. индуцируется только в проводниках, расположенных на внешней поверхности якоря. Следовательно, активными являются только половина проводников. В обмотке барабанного якоря все проводники — активные, т. е. для создания той же э. д. с, что и в машине с кольцевым якорем, требуется почти в два раза меньше проводникового материала.

Расположенные в пазах проводники обмотки якоря соединяются между собой лобовыми частями витков. В каждом пазу обычно располагается несколько проводников. Проводники одного паза соединяются с проводниками другого паза, образуя последовательное соединение, называемое катушкой или секцией. Секции соединяются последовательно и образуют замкнутую цепь. Последовательность соединения должна быть такой, чтобы э. д. с. в проводниках, входящих в одну параллельную ветвь, имели одинаковое направление.

На рис. 8 показана простейшая обмотка якоря барабанного типа двухполюсной машины. Сплошными линиями показано соединение секций друг с другом со стороны коллектора, а пунктирными — лобовые соединения проводников с противоположной стороны. От точек соединения секций делаются отпайки к коллекторным пластинам. Направление э. д. с. в проводниках обмотки показано на рисунке: «+» — направление от читателя, «•» — направление на читателя.

Обмотка такого якоря имеет также две параллельные ветви: первая, образованная проводниками пазов 1, 6, 3, 8, вторая — проводниками пазов 4, 7, 2, 5. При вращении якоря сочетание пазов, проводники которых образуют параллельную ветвь, все время изменяется, но всегда параллельная ветвь образуется проводниками четырех пазов, занимающих постоянное положение в пространстве.

Рис. 7. Устройство машины постоянного тока якоря барабанного типа

Рис. 8. Простейшая обмотка

Выпускаемые заводами машины имеют десятки или сотни пазов по окружности барабанного якоря и число коллекторных пластин, равное числу секций обмотки якоря.

Коллектор 1 (см. рис. 7) состоит из медных изолированных друг от друга пластин, которые соединяют с точками соединения секций обмотки якоря, и служит для преобразования переменной э. д. с. в проводниках обмотки якоря в постоянную э. д. с. на щетках 2 генератора или преобразования постоянного тока, подводимого к щеткам двигателя из сети, в переменный ток в проводниках обмотки якоря двигателя. Коллектор вращается вместе с якорем.

При вращении якоря по коллектору скользят неподвижные щетки 2. Щетки бывают графитовые и медно-графитовые. Они крепятся в щеткодержателях, которые допускают поворот на некоторый угол. С якорем соединена крыльчатка 8 для вентиляции.

Классификация и параметры генераторов постоянного тока

В основу классификации генераторов постоянного тока положен вид источника питания обмотки возбуждения. Различают:

1. генераторы с независимым возбуждением, обмотка возбуждения которых питается от постороннего источника (аккумулятора или другого источника постоянного тока). У генераторов малой мощности (десятки ватт) основной магнитный поток может создаваться постоянными магнитами,

2. генераторы с самовозбуждением, обмотка возбуждения которых питается от самого генератора. По схеме соединения обмоток якоря и возбуждения по отношению к внешней цепи бывают: генераторы параллельного возбуждения, у которых обмотка возбуждения включена параллельно с обмоткой якоря (шунтовые генераторы), генераторы последовательного возбуждения, у которых эти обмотки включены последовательно (сериесные генераторы), генераторы смешанного возбуждения, у которых одна обмотка возбуждения включена параллельно обмотке якоря, а вторая — последовательно (компаундные генераторы).

Номинальный режим генератора постоянного тока определяется номинальной мощностью — мощностью, отдаваемой генератором приемнику, номинальным напряжением на зажимах обмотки якоря, номинальным током якоря, током возбуждения, номинальной частотой вращения якоря. Эти величины обычно указываются в паспорте генератора.

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Подписывайтесь на наш канал в Telegram!

Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

Принцип действия и устройство генераторов постоянного тока

Генератор постоянного тока – это электротехническое оборудование, которое продуцирует напряжение постоянной величины. Устройство имеет довольно сложное техническое строение, которое можно назвать совершенством технической мысли.

  1. Принцип действия
  2. Характеристики и строение
  3. Электродвижущая сила
  4. Мощность оборудования и КПД
  5. Разновидности по способу возбуждения
  6. Область применения

Принцип действия

Генератор постоянного тока

Каждый проводник оснащен магнитом, к концам которого подключена нагрузка. При ее подключении по ним непрерывно протекает переменный ток. Природа его происхождения объясняется тем, что во время работы полюса магнита непрерывно меняются местами. На этом принципе основывается работа генератора переменного тока.

Чтобы ток не изменял своего направления, требуется успевать соединять точки коммутации нагрузки со скоростью аналогичной скорости вращения магнита. Справиться с поставленной задачей может только контроллер – небольшое электротехническое устройство, которое состоит из нескольких токопроводящих секторов, разделенных диэлектрическими пластинами. Оно фиксируется на якоре устройства и вращается с ним синхронно.

Электрическая энергия с якоря удаляется с помощью щеток. Используются чаще всего кусочки графита, обладающие высокой электропроводностью и низким коэффициентом трения.

Все эти процессы способствуют образованию на выходе электротехнической установки пульсирующего напряжения одной величины. Для сглаживания этой пульсации применяется несколько якорных обмоток. Чем их больше установлено, тем меньше будут броски напряжения на выходе.

Характеристики и строение

Как и абсолютное большинство других электрических агрегатов, генератор постоянного тока в свой состав включает статор и якорь.

Якорь изготавливают из стальных пластин с небольшими углублениями, в них помещаются обмотки. Их концы обязательно коммутируют с коллектором, который изготовлен из медных пластин, разделенных диэлектриками. По окончании сборки вал, якорь с обмотками и коллектор становятся одним целым.

Статор выполняет не только свою непосредственную функцию, но и является корпусом, к внутренней поверхности которого крепятся электрические магниты и постоянные. Предпочтительнее первый вариант, их сердечники могут быть набраны из металлических пластин или отлиты вместе с корпусом. Еще на корпусе предусмотрены специальные отверстия для крепления токосъемных щеток.

Количество графитов будет изменяться в зависимости от количества полюсов магнитов, которыми оснащен статор. Количество щеток равно количеству пар полюсов.

Электродвижущая сила

Электродвижущая сила генератора постоянного тока или ЭДС представляет собой величину, которая прямо пропорциональна потоку магнитов, количеству активных проводников и частоте вращения якоря. При уменьшении или увеличении этих показателей удается управлять величиной электродвижущей силы и напряжением. Установить требуемые параметры можно с помощью регулировки частоты вращения якоря.

Мощность оборудования и КПД

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%.

Разновидности по способу возбуждения

По способу возбуждения генераторы постоянного тока делятся на два вида:

  • с самовозбуждением;
  • с независимым возбуждением обмоток.

Для самовозбуждения оборудования обязательно требуется электричество, которое им же и вырабатывается. По принципу коммутации обмоток самовозбуждающиеся якоря альтернаторов делятся на следующие разновидности:

  • оборудование с параллельным возбуждением;
  • устройства с последовательным возбуждением;
  • генераторы смешанного типа, которые получили название – компудные.

Каждая разновидность имеет свои конструктивные особенности, преимущества и недостатки.

Для обеспечения оптимальных условий для работы оборудования требуется наличие стабильного напряжения на зажимах. Особенность устройства заключается в параллельном возбуждении выводов катушки, которые подсоединены через регулировочный реостат, расположенный параллельно обмотке якоря.

Для оборудования с независимым возбуждением источником питания выступают внешние устройства или аккумуляторные батареи. В маломощных модификациях устанавливаются постоянные магниты, обеспечивающие создание основного магнитного потока. Основное достоинство заключается в том, что на напряжение на зажимах не влияет возбуждающий ток.

Устройства со смешанным возбуждением сочетают положительные качества вышеописанных разновидностей. Конструктивные особенности – две катушки индуктивности, основная и вспомогательная. Цепь параллельной обмотки включает в себя реостат, который используется для регуляции силы тока возбуждения.

Область применения

Система постоянного тока в самолете

Генераторы постоянного тока имеют довольно обширный список применения. Его активно используют практически во всех отраслях промышленности, особенно в автомобилестроении и при сооружении российских локомотивов нового поколения, которые оснащают асинхронные двигатели, характеризующиеся работой на переменном токе.

Также электротехническое оборудование может использовать в быту для портативных сварочных аппаратов с автономной системой питания и для бытовой техники, оснащенной мощными пусковыми двигателями.

Перед покупкой следует проанализировать, с какими целями электротехническое оборудование должно будет справляться. Исходя из этого подбирается наиболее подходящая модификация генераторов постоянного тока.

Приобрести оборудование можно в специализированных магазинах или на интернет-площадках. При покупке важно проверить наличие всей необходимой сопроводительной документации и гарантийного талона. Предварительно также осматривается целостность корпуса и наличие повреждений: если таковые имеются, лучше воздержаться от покупки. При покупке через интернет стоит внимательно ознакомиться с отзывами о магазине на различных форумах.

Онлайн помощник домашнего мастера

Генератор постоянного тока – обзор конструкций, а также их характеристика. Инструкция как сделать своими руками в домашних условиях

Современный окружающий нас мир трудно представить без электрической энергии. Одними из устройств, для производства с детства привычного нам электричества, и являются генераторы разных типов. Рассмотрим устройство генератора постоянного тока.

Любой генератор является механизмом, для преобразования любого вида механической энергии в электрическую. Любое механическое усилие, будь то рычаг, электрический или бензиновый двигатель, служит источником энергии. А подведение этого источника к генератору приводит к выработке им электрического тока.

Основное отличие от генераторов переменного тока заключается в необходимости присутствия аккумулятора или ИБП. Это значительно сужает их применение в промышленности и бытовой сфере.

В последнее время, в связи с повсеместным развитием электротранспорта их используют в качестве источника питания для электромобилей, погрузчиков, троллейбусов и прочего автотранспорта.

К достоинствам можно отнести малые габариты и вес, отсутствие потерь мощности на вихревых токах и малую зависимость от климатических условий. Чтобы понять, что представляет из себя это устройство, достаточно взглянуть на фото генератора постоянного тока.

Краткое содержимое статьи:

Конструкция генератора

Рассмотрим, что представляет собой генератор постоянного тока. Во-первых, это изготовленный из прочной стали или чугуна корпус устройства. По корпусу также проходит магнитное поле, создаваемое полюсами генератора. Во-вторых, это ротор и статор.

На ферромагнитный статор закрепляется катушка возбуждения. Направление магнитного потока определяют сердечники статора, оснащённые полюсами.

Для большого КПД самого генератора, ротор собран из металлических пластин. Кроме того такая конструкция ротора позволяет значительно сократить появление вихревых токов.

На металлические пластины сердечника наматывают медную или обмедненную обмотку – обмотку самовозбуждения. Количество щеток генератора, изготавливаемых из графита, зависит от количества полюсов на нем, как минимум две. Конструкцию генератора мы можем наглядно рассмотреть на рисунке.

Вывод контура генератора соединяются с помощью коллекторных пластин. Пластины делаются из доступного и хорошего проводника электрического тока – меди, а разделяются между собой диэлектриком.

Принцип действия

Принцип действия генератора постоянного тока, как и любого другого устройства похожего типа основан на знакомого нам со школы явления электромагнитной индукции и появление в устройстве электродвижущей силы – ЭДС. Вспомним школьную физику: если к проводнику с вращающимся внутри него постоянным магнитом присоединить какую-либо нагрузку, то в ней появится переменный ток. Такое возможно из-за того, что поменялись местами магнитные полюса самого магнита.

Чтобы получить ток постоянный необходимо присоединять точки подключения нагрузки синхронно со скоростью вращения магнита. Для этого и предназначен в генераторе коллектор, закреплённый на роторе и крутящийся с той же частотой.

Снимается полученная в результате всего этого процесса энергия с помощью графитных щёток, обладающих хорошей проводимостью и достаточно низким трением. Когда происходит переключения пластин коллектора ЭДС равна нулю, но полярность ее не меняется, за счёт переподключения на другой проводник.

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.

Способы возбуждения

За счёт использования в устройствах малой мощности постоянных магнитов получается магнитное возбуждение. Соответственно при использовании электромагнитов имеем электромагнитное. Данный способ нашёл широкое применение при производстве генераторов такого типа.

Ещё способы возбуждения генераторов постоянного тока зависят от назначения нужного нам генератора и от того, каким способом подключим обмотку. Если подключить обмотку через специальный реостат к внешнему истоку тока, тогда имеем независимое возбуждение. Такие генераторы находят широкое применение в электрохимическом производстве.

При подключении обмотки через все тот же реостат к клемам самого генератора, получим параллельное возбуждение. Большим плюсом генераторов с таким типом возбуждения является его защита от короткого замыкания, обусловленного все тем же способом возбуждения.

Если обмотку подключить последовательно к якорю, то получится последовательное возбуждение. При таком способе подключения наблюдается сильная зависимость изменения напряжения от величины подключённой нагрузки.

При наличии в генераторе двух обмоток имеет место смешенное подключение, одну обмотку подключают последовательно, другую параллельно.

Подключение проводят таким образом, чтобы создавались магнитные потоки в одном векторе. Число витков при таком подключение в обмотках рассчитывается так, чтобы падение напряжение на одной обмотке компенсировалось другой.

Технические характеристики

Под основными техническими характеристиками генераторов можно понимать следующие величины. Это ЭДС генератора. Непосредственно с ЭДС любого генератора напрямую связана его полная электрическая мощность, которая ей прямопропорциональна.

Полная мощность возрастает при увеличении количества полюсов и частоты оборотов якоря. Полезная же мощность, передаваемая на подключённое внешнее устройство, равна произведению выходного тока на выходное напряжение.

Основная характеристика любого производящего что-либо устройства, в том числе и нашего генератора это КПД. Если генератор выключить, а потом включить, то его КПД будет уменьшаться, в связи с увеличением затрат энергии на нагрев обмотки. Различают электрический КПД и промышленный.

Если генератор работает на холостом ходу или загружен не полностью, то и КПД соответственно значительно уменьшается. Для того чтобы получить комфортный в экономическом плане режим работы генератора в сети, где нагрузка постоянно изменяется, подключают несколько генераторов, соединённых между собой параллельно.

При таком подключении, причём желательно через автомат и вольтметр, добиваются равномерного распределения нагрузки между работающими генераторами. При увеличении потребления внешней нагрузки, в работу включается второй генератор, тем самым регулируя обороты первого и выравнивая напряжение.

При использовании генераторов со смешанным возбуждением происходит автоматическая регулировка характеристик работающих вместе генераторов, повышается стабильность работы. Это возможно из-за того, что в таких генераторах есть уравнительный провод, проходящий между отрицательными или положительными щётками. Именно эта шина и делает работу таких генераторов устойчивой.

Генератор постоянного тока.

Давайте разберем принцип действия генератора постоянного тока, познакомимся с его конструктивными особенностями и принципом действия.

Генератор постоянного тока работает основываясь на использовании закона электромагнитной индукции. Согласно этому закону, в проводнике, который движется в магнитном поле и пересекает магнитный поток, индуцируется ЭДС.

Магнитопровод по которому замыкается магнитный поток является одной из основных частей генератора постоянного тока.

Магнитная цепь генератора постоянного тока (изображен на рисунке 1) состоит из неподвижной части — статора (1) и вращающейся части — ротора (4).

Статор представляет собой стальной корпус, к которому присоединены остальные детали машины, в том числе магнитные полюсы (2). На магнитные полюсы насажена обмотка возбуждения (3), которая питается постоянным током и создает основной магнитный поток Ф0.

Магнитная цепь генератора постоянного тока с четырьмя полюсами.

Листы, из которых собирается магнитная цепь ротора: а — с открытыми пазами, б — с полузакрытыми пазами

Ротор машины собирают из штампованных стальных листов с пазами по окружности и с отверстиями, предназначенными для вала и вентиляции. Рабочая обмотка генератора постоянного тока вставляется в пазы ротора (5 на изображении 1). Этой обмоткой индуцируется ЭДС основным магнитным потоком. Обмотку также называют обмоткой якоря, поэтому ротор генератора постоянного тока принято называть якорем.

Значение ЭДС генератора постоянного тока может изменяться, но ее полярность остается величиной постоянной. Принцип действия генератора постоянного тока изображен на рисунке 3.

Магнитный поток создается полюсами постоянного магнита. Допустим, обмотка якоря состоит из одного витка, у которого концы присоединены к различным полукольцам, находящимся в изоляции друг от друга. Из этих полуколец формируется коллектор, совершающий вращения вместе с витком обмотки якоря. Одновременно с этим вдоль коллектора двигаются неподвижные щетки.

При вращении витка в магнитном поле в нем индуцируется ЭДС: e = B*l*v

  • где В — магнитная индукция, l — длина проводника, v — его линейная скорость.

При совпадении плоскости витка с плоскостью осевой линии полюсов (при этом виток расположен вертикально), проводники пересекают максимальный магнитный поток. В это время в них индуцируется максимальный показатель ЭДС. В том случае когда виток принимает горизонтальное положение, ЭДС в проводниках равна нулю.

В проводнике направление ЭДС определяется по правилу правой руки (на рисунке 3 оно показано в виде стрелок). Когда при вращении витка проводник переходит под другой полюс, направление ЭДС в нем меняется на обратное. Но поскольку коллектор вращается вместе с витком, а щетки неподвижны, то к верхней щетке всегда присоединен проводник, который находится под северным полюсом, ЭДС которого направлена от щетки. В результате полярность щеток остается неизменной, а следовательно, остается неизменной по направлению ЭДС на щетках — е (рисунок 4).

Простейший генератор постоянного тока.

Изменение во времени ЭДС простейшего генератора постоянного тока.

Несмотря на то что ЭДС простейшего генератора постоянного тока постоянна в направлении, по своему значению она изменяется. Поскольку за один оборот витка ЭДС принимает 2 раза значение равное нулю и 2 раза максимальное. Для большинства приемников постоянного тока ЭДС с такой большой пульсацией непригодна и, строго говоря, ее нельзя назвать постоянной.

Чтобы уменьшить пульсацию, обмотку якоря генератора постоянного тока делают из большого числа витков (катушек), а коллектор из большого числа коллекторных пластин, которые изолированы друг от друга.

Для того чтобы рассмотреть подробнее процесс сглаживания пульсаций возьмем в качестве примера обмотку кольцевого якоря (рисунок 5). Она состоит из четырех катушек (1, 2, 3, 4), по два витка в каждой. Якорь двигается по направлению часовой стрелки с частотой n и в проводниках обмотки якоря, которые расположены на внешней стороне якоря, индуцируется ЭДС (направление движения указано стрелками).

Обмотка якоря представляет собой замкнутую цепь, которая состоит из последовательно соединенных витков. При этом обмотка якоря относительно щеток представляет собой две параллельные ветви. На рисунке 5а одна параллельная ветвь состоит из катушки 2, вторая из катушки 4 (в катушках 1 и 3 ЭДС не индуцируется, и они обеими концами соединены с одной щеткой). На рисунке 5б якорь изображен в положении, которое он занимает через 1/8 оборота. В этом положении одна параллельная ветвь обмотки якоря состоит из последовательно включенных катушек 1 и 2, а вторая из последовательно включенных катушек 3 и 4.

Схема простейшего генератора постоянного тока с кольцевым якорем.

При вращении якоря по отношению к щеткам каждая катушка имеет постоянную полярность.

На рисунке 6а показано как при вращении якоря изменяется ЭДС катушек во времени. ЭДС на щетках равна ЭДС каждой из параллельных ветвей обмотки якоря.

Из рисунка 5 видно, что ЭДС параллельной ветви равна или сумме ЭДС двух соседних катушек или ЭДС одной катушки:

Как результат этого, заметно уменьшаются пульсации ЭДС обмотки якоря (рисунок 6б). А значит увеличивая количество витков и коллекторных пластин можно получить практически постоянную ЭДС обмотки якоря.

Изменение во времени ЭДС катушек и обмотки кольцевого якоря.

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».

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.

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…

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий