Генератор постоянного тока: устройство и принцип действия. Принцип действия и устройство генератора постоянного тока

Генератор постоянного тока: устройство и принцип действия

Одним из наиболее распространенных электрических устройств является генератор постоянного тока, принцип действия которого основан на таких понятиях, как электромагнитная сила и индукция. Согласно принципу обратимости электрических машин, данное устройство, в конкретных условиях, может выполнять функцию и генератора и электродвигателя.

Составные части генератора

Генератор 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, магнитная индукция 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

Генератор 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 генератора 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 магнитного поля и в якоре появляется электродвижущая сила. После этого, с помощью коллектора и щеток, постоянный ток уходит к внешней цепи. В этом случае устройство работает в качестве генератора. 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.

electric-220.ru

принцип действия, схема подключения, устройство + инструкция с фото и видео

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.

Фото генераторов постоянного тока

electrikmaster.ru

Что такое генератор постоянного тока?

Сложно себе представить нашу жизнь без электричества. Ведь от него питаются практически все приборы, без которых современный человек просто прекратил бы свое существование. Ежедневно нам требуется электроэнергия как постоянного, так и переменного тока. Получаем мы ее из разных источников. Одним из них является генератор постоянного тока.

Статья эта будет интересна каждому. Ведь так приятно осознавать, что ты узнал еще что-то об устройстве этого сложного мира. Она понравится как любителям, так и профессионалам-электромеханикам. Однако может заинтересовать и человека, который только начинает познавать азы этой сложной науки.

Генератор постоянного тока нашел широкое применение как в промышленности, так и в быту. Поэтому эти агрегаты весьма разнообразны: крупногабаритные и компактные, тихие и мощные, дизельные и бензиновые. По области применения генератор постоянного тока может быть бытовым или промышленным. И в том, и в другом случае он может быть использован как для восстановления электроснабжения при необходимости, так и получения его в удалении от основных сетей.

В промышленности чаще всего этот агрегат используют на различных судах и других видах транспорта. Также генератор постоянного тока применяется в медицинской отрасли для обеспечения непрерывного энергоснабжения. А в бытовом масштабе используют их на дачах или небольших киосках. Также очень часто в домашних условиях используют сварочный генератор постоянного тока. Он необходим для соединения различных видов металла.

Как устроен генератор постоянного тока?

Агрегат этот состоит из неподвижной и вращающейся частей. Первая – индуктирующая, что означает, что она создает магнитное поле. А вторая – индуктируемая, также ее называют якорем. Неподвижная часть устройства включает в себя главные и дополнительные полюса и станину. Крепление их осуществляется при помощи болта.

Главный полюс представлен магнитом, который создает поток волн. В себя включает он сердечник, обмотку возбуждения и наконечник. Первая деталь всегда отливается из стали. Катушки полюсов соединены последовательно. Это способствует образованию обмотки возбуждения. Когда по ней протекает ток, создается магнитный поток.

Наконечник необходим для удержания обмотки возбуждения на полюсах. Именно поэтому магнитное поле равномерно распределяется по полюсам. При этом обязательно, чтобы наконечник имел определенную форму.

Каждый добавочный полюс состоит из сердечника и обмотки. Эти детали также отливаются из стали. Обычно их столько же, как главных полюсов, а может быть и меньше в два раза. Устанавливают их преимущественно в генераторах большой мощности, а в компактных их обычно нет. Основное их предназначение – это устранение искрения.

В состав вращающейся части входят сердечник, обмотка и коллектор. Первая деталь является цилиндром, который собран из листов стали. Друг от друга они изолированы при помощи лака или бумаги. Делается это для того, чтобы уменьшить потери на вихревые токи.

Принцип действия генератора постоянного тока

Основным является то, что устройство это способно получать электрическую энергию из механической. Принцип действия лучше рассмотреть на простейшем агрегате, который представляет собой рамку из проводника, помещенную между двумя полюсами магнита. К коллектору прижата отрицательная и положительная щетка. Между собой они замкнуты через электролампочку внешней цепью.

Чтобы генератор постоянного тока работал, рамка должна вращаться. При этом по правилу правой руки в ней происходит индукция электричества. Ток этот меняет направление на каждой половине оборота. Объясняется это тем, что каждая сторона рамки пересекает магнитные линии попеременно в обоих направлениях. А по внешней цепи ток идет однонапраленно. Здесь он меняется лишь по величине. То есть коллектор преобразует переменный ток в постоянный, что весьма важно.

fb.ru

Генератор постоянного тока: устройство, применение :: SYL.ru

В данной статье рассмотрим генератор постоянного тока и его применение в различных сферах. Генератор - это, проще говоря, "создатель" энергии, которая применяется впоследствии в приборах, предназначенных для преобразования этой энергии в конечном счете с пользой для человека. А какая польза для нас может быть от этого генератора? И где, собственно, его применяют, и для чего?

Польза от генератора

Его основное применение может быть на заводах, фабриках, в строительстве объектов. Также на электростанциях и даже на судах применяется постоянный ток. Генератор постоянного тока является востребованным, и его применение возрастает, только потому, что его мощность, в отличие от переменного типа, больше при одинаковых габаритных размерах. А самое главное - это высокая надежность его простой схемы, позволяющей работать намного дольше и значительно увеличивающей срок службы.

Устройство

Видов указанного прибора существует огромное количество, но принцип всегда один и тот же. Вот как раз и следует рассмотреть принцип действия генератора постоянного тока. Сначала мы его сравним с генератором переменного типа, чтобы понять, чем же они различаются. Генератор постоянного тока имеет ротор с конструкцией барабанного типа. А крепление индуктора находится в статоре, который неподвижен и сделан из чугуна или стали. Правда, из стали отливается в редких случаях, потому что данный сплав предназначен для металлургических заводов узкого профиля. Внутри статора есть специальные крепления, на которые наматываются провода из сплава меди, от которых мы получаем магнитное поле. В принципе отличий немного, но для получения постоянного тока, без выпрямителей, данный вид намного эффективнее, чем устройство переменного типа. Генератор постоянного тока имеет наиболее распространенную модель, называемую коллекторной, которая, в отличие от переменного типа, имеет  раздельные кольца. К ним присоединяются концы обмотки якоря генератора. Эти раздельные кольца имеют изоляцию между собой и находятся на общем цилиндре, то есть вращаются на общей оси, а также на них прижимаются щетки из сплава на основе меди и графита. И собственно, с этих щеток выводится постоянный ток во внешнюю цепь.

Сварочный генератор

Главным образом постоянный ток применяется в сварочных аппаратах. Сварочный генератор постоянного тока чаще всего используют в местах, где отсутствует электрический переменный ток. 

Существуют данные устройства и переменного тока. Но как показывает практика, их меньше используют в связи с меньшей универсальностью для питания сварочной дуги. В качестве топлива для сварочного постоянного генератора может служить дизель либо бензин. Бензиновые бывают более компактные и поэтому их удобно использовать в домашнем хозяйстве или на приусадебном участке.

www.syl.ru

устройство и принцип работы / действия

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 еср. 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 Еmin до Еmax.

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

В части б) размещён график, иллюстрирующий изменение напряжения при разных нагрузках. Здесь постоянными были скорость вращения ротора и ток в обмотке возбуждения. Падение U0 объясняется снижением ЭДС, которое происходит из-за паразитного действия магнитного потока, создаваемый якорем, а также падением напряжения в его цепи.

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

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

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

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

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

Особенности схем

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.

elquanta.ru

Лабораторная работа № 8 Генератор постоянного тока Цель работы:

147

• ознакомиться с устройством, принципом действия, основными режимами работы генератора постоянного тока с независимым возбуждением;

• приобрестипрактические навыки пуска, эксплуатации и остановки генератора постоянного тока;

• экспериментально подтвердить теоретические сведения о характеристиках генератора постоянного тока.

Основные теоретические положения

Электрические машины постоянного тока могут работать как в режиме генератора, так и в режиме двигателя, т.е. обладают свойством обратимости.

Генератор постоянного тока — это электрическая машина, предназначенная для преобразования механической энергии в электрическую энергию постоянного тока.

Электродвигатель постоянного тока —электрическая машина, предназначенная для преобразования электрической энергии постоянного тока в механическую.

Общий вид электрической машины постоянного тока представлен на рис. 1.

Устройство электрической машины постоянного тока

Как и любая другая электрическая машина, машина постоянного тока состоит из неподвижной части — статора и вращающейся части —ротора 1, выполняющего функциюякоря, так как в его обмотках наводится ЭДС.

В статоре машины находится обмотка возбуждения, создающая необходимый магнитный поток Ф. Статор состоит из цилиндрической станины 2 (стальное литье, стальная труба или сваренная листовая сталь), к которой крепятся главные 3 и дополнительные 4 полюса с обмотками возбуждения. С торцов статор закрывают подшипниковые щиты 5. В них впрессовываются подшипники и укрепляется щеточная траверса с щетками 6.

Якорь состоит из цилиндрического пакета (набранного из лакированных листов электротехнической стали для ослабления вихревых токов). В пазы сердечника якоря укладывается обмотка, соединенная с коллектором7; все это закрепляется на валу якоря.

Рис. 1

Принцип действия

Простейшую электрическую машину можно представить в виде витка, вращающегося в магнитном поле (рис. 2,а,б). Концы витка выведены на две пластины коллектора. К коллекторным пластинам прижимаются неподвижные щетки, к которым подключается внешняя цепь.

Рис. 2

Принцип работы электрической машины основан на явлении электромагнитной индукции. Рассмотрим принцип работы электрической машины в режиме генератора. Пусть виток приводится во вращение от внешнего приводного двигателя (ПД). Виток пересекает магнитное поле, и в нем по закону электромагнитной индукции наводится переменная ЭДС, направление которой определяется по правилу правой руки. Если внешняя цепь замкнута, то по ней потечет ток, направленный от нижней щетки к потребителю и от него - к верхней щетке. Нижняя щетка оказывается положительным выводом генератора, а верхняя щетка - отрицательным. При повороте витка на 1800 проводники из зоны одного полюса переходят в зону другого полюса и направление ЭДС в них изменится на обратное. Одновременно верхняя коллекторная пластина входит в контакт с нижней щеткой, а нижняя пластина—с верхней щеткой, направление тока во внешней цепи не изменяется. Таким образом, коллекторные пластины не только обеспечивают соединение вращающего витка с внешней цепью, но и выполняют роль переключающегося устройства, т.е. являются простейшим механическим выпрямителем.

Для уменьшения пульсаций в генераторе постоянного тока вместо одной катушки по окружности якоря размещается несколько равномерно разнесенных обмоток, которые образуют обмотку якоря, и присоединяются для изменения полярности ЭДС к коллектору, состоящему из большего числа сегментов. Поэтому ЭДС в цепи между выводами щеток пульсирует уже не так сильно, т.е. получается практически постоянной.

Для этой постоянной ЭДС справедливо выражение

Е=с1Фn ,

где с1—коэффициент, зависящий от конструктивных элементов якоря и числа полюсов электрической машины;Ф— магнитный поток;n— частота вращения якоря.

При работе машины в режиме генератора по замкнутой внешней цепи и витку обмотки якоря протекает ток i = Iя, направление которого совпадает с направлением ЭДС (см. рис. 2,б). По закону Ампера взаимодействие тока iи магнитного поляВсоздает силуf, которая направлена перпендикулярноВиi. Направление силыfопределяется правилом левой руки: на верхний проводник сила действует влево, на нижний—вправо. Эта пара сил создает вращающий моментМвр, направленный в данном случае против часовой стрелки и равный

М=с2ФIя.

Этот момент противодействует моменту привода, т.е. является тормозящим моментом.

Ток якоря Iявызывает в якорной обмотке с сопротивлениемRяпадение напряженияRяIя,так что при нагрузке напряжениеUна выводах щеток получается меньше, чемЭДС, а именно

U = E – RяIя.

studfiles.net

Принцип действия генератора постоянного тока

На явлениях электромагнитной индукции и электромагнитной силы основана работа генераторов и двигателей постоянного то­ка. Руководствуясь тем, что любая электрическая машина обра­тима, т. е. может служить в определенных условиях как генера­тором, так и двигателем, будем рассматривать устройство маши­ны постоянного тока независимо от ее назначения.

Схема машины постоянного тока.

Основными частями машины постоянного тока являются якорь и станина, несущая электромагниты. Неподвижная часть, станина, изготавливается обычно из литой стали. С внутренней стороны на станине укреп­ляются сердечники полюсов. На концах эти сердечники снабжа­ются полюсными наконечниками («полюсными башмаками»). Последние предназначены для более равномерного распределения магнитной индукции вдоль окружности якоря. На сердечники на­деты катушки, составляющие обмотку возбуждения машины.Станина машины является замыкающей частью — ярмом магнитопровода. Кроме основных полюсов возбуждения, на ста­нине между сердечниками главных полюсов помеща­ются сердечники дополнительных полюсов, катушки которых со­единяются последовательно с якорем. Назначение дополнитель­ных полюсов — обеспечить безыскровую работу щеток на кол­лекторе, хорошую коммутацию.

Схема кольцевого якоря.

Якорь (ротор) машины представляет собой цилиндрическое тело, собранное из листовой электротехнической стали, обычно толщиной 0,5—1 мм. Якорь является вращающейся частью машины, в его пазах размещается обмотка, соединенная проводниками с укрепленным на валу якоря коллектором. Последний состоит из ряда медных изолированных одна от другой пластин трапециевидного сечения, образующих цилиндрическую поверхность. Пластины коллектора изолируются как од­на от другой, так и от вала миканитом.

На коллектор опираются неподвижные в пространстве комп­лекты угольных или медных щеток, установленных в щеткодер­жателях. Таким образом, при вращении якоря щетки сохраняют неизменное положение по отношению к полюсам машины. В щеткодержателе щетка пружиной прижимается к коллектору. Щеткодержатели укрепляются на щеточных бол­тах и щеточной траверсе, которая связывается либо с подшипни­ковым щитом машины, либо с ее станиной. Траверсу можно поворачивать и тем самым изменять положение всей системы щеток по отно­шению к полюсам маши­ны. Щеточные болты изо­лируются от траверсы. Через коллектор и щетки якорь машины соеди­няется с внешней цепью.

В машине имеются две электрические цепи: цепь якоря и цепь воз­буждения. По цепи воз­буждения пропускается постоянный ток, который, проходя через обмотку возбуждения, создает основное магнитное поле машины.

Чтобы возможно нагляднее объяснить получение постоянной ЭДС при помощи машины и роль коллектора, рассмотрим условия работы простейшего кольцевого якоря машины по­стоянного тока.Этот якорь представляет со­бой полый цилиндр, собранный из листовой электротехнической стали. Обмотка якоря обвивает полый цилиндр, образуя замкну­тый контур. Магнитный поток пронизывает сердечник якоря, минуя его внутреннюю полость.При вращении якоря ЭДС индуктируется только в провод­никах, лежащих на наружной стороне якоря. Части же обмотки, лежащие на внутренней и торцевых сторонах якоря, не участ­вуют в образовании ЭДС и выполняют лишь роль соедини­тельных проводников. Определяя направление ЭДЕ, мы видим, что ЭДС в витках обмотки, движущихся под северным полю­сом, противоположна по направлению ЭДЕ, индуктируемой в витках, движущихся под южным полюсом.

Схема распределения магнитной индукции вдоль окружности якоря и положение щеток в четырехполюсной машине.

Так как устройство машины симметрично, то эти ЭДС в замкнутой обмотке якоря взаимно уравновешиваются и никакого внутреннего тока в об­мотке не возникает. Чтобы использовать ЭДС обмотки, можно соединить ее с внешней нагрузочной цепью посредством непо­движных щеток. Место щеток следует выбрать так, чтобы полностью использовать ЭДЕ, индуктируемую обмоткой.Щетки делят обмотку на две параллельные ветви с одина­ковыми ЭДС. В каждой из параллельных ветвей обмотки все ЭДС должны иметь одинаковое направление, в противном слу­чае не будет использована полностью ЭДС всех витков обмотки (в предельном случае, когда щетки поставлены под серединами полюсов, напряжение между ними будет равно нулю). Направ­ление ЭДС в проводниках обмотки определяется и направле­нием магнитного поля, и направлением вращения якоря.

Индукция имеет наибольшее значение под серединой полюсов машины, а в точках, находящихся на линии, перпендикулярной к оси полюсов и проходящей через центр якоря, индукция равна нулю. Распределение индукции вдоль окружности якоря зависит от магнитного сопротивления вдоль окружности машины, а это сопротивление в большой мере определяется формой полюсных наконечников. Следовательно, щетки должны стоять на нейтрали.

Схема соединения обмотки якоря с внешней цепью через коллектор и щетки.

Вследствие такого положения щеток между ними создается постоянное напряжение, хотя ЭДС, индуктируемая в каждом из витков обмотки якоря, является переменной. Напряжение между ветвью обмотки яко­ря; такая ветвь состоит из группы последовательно соединенных, непрерывно движущихся проводников; отдельные проводники один за другим переходят из области северного полюса в область южного полюса, при этом направление ЭДС в них изменяется.

Но в то же время положение каждой группы проводников, обра­зующей параллельную ветвь обмотки, остается неизменным по отношению к полюсам машины. Благодаря этому напряжение между щетками машины постоянно. Процесс переключения эле­ментов обмотки из одной параллельной ветви в другую называет­ся коммутацией.

Если вместо двух полюсов машина имеет четыре полюса, то для использования ее ЭДС при рассмат­риваемой нами обмотке кольцевого якоря понадобятся четыре щетки, ко­торые должны быть соединены между собой попарно. Эти щетки разделяют обмотку на две пары параллельных ветвей.

Нецелесообразно приспосабливать обмотку якоря для непосредственного контакта проводников якоря со щет­ками. Лучше и надежнее, когда щет­ки скользят по специально для этого приспособленным пластинам коллек­тора, а пластины проводниками сое­диняются с отдельными витками замкнутой обмотки якоря.При помощи коллектора и этих соединительных проводников щетки делят обмотку якоря на параллельные ветви совершенно так же, как и при непосредственном контакте щеток с этой обмоткой.

http://fazaa.ru/www.youtube.com/watch?v=oU04LwjbsNI

Кольцевой якорь со спиральной обмоткой в настоящее время не применяется, так как при спиральной обмотке более полови­ны длины ее не участвует в образовании ЭДЕ, а служит лишь для соединения между собой активных проводников, лежащих на внешней стороне кольцевого якоря.

Значительно лучше использована медь в обмотках относи­тельно сложного барабанного якоря. Барабанный якорь пред­ставляет собой цилиндр, собранный из листов электротехнической стали, в пазах которого только с внешней стороны барабана размещаются проводники обмотки якоря.

Машина постоянного тока обратима: если машину вращает первичный двигатель и магнитное поле машины возбуждено, то в якоре наводится ЭДС и через коллектор и щетки машина посылает постоянный ток во внешнюю цепь. В якоре этот ток, вза­имодействуя с полем машины, создает тормозящий момент, пре­одолеваемый первичным двигателем. В таких условиях машина работает генератором.

http://fazaa.ru/www.youtube.com/watch?v=xAjwFnlxfAE

Если же якорь и обмотка возбуждения машины включены под постоянное напряжение, то ток, проходя­щий через обмотку якоря, взаимодействуя с полем машины, со­здает вращающий момент, приводящий якорь во вращение, при этом в обмотке якоря наводится анти ЭДС. В таких усло­виях машина работает в режиме двигателя, превращая электри­ческую энергию в механическую.

Поделитесь полезной статьей:

fazaa.ru

• 
  Виды износа деталей
• 
  Основные причины травматизма
• 
  Неисправности акб для списания
• 
  Водоотводная канава
• 
  Техника безопасности при работе в электроустановках
• 
  Грузоподъемное устройство
• 
  Декомпрессионный механизм
• 
  Линейная норма расхода топлива
• 
  Сцепное устройство для грузовиков
• 
  Копра фото
• 
  На кинематической схеме изображают