Генератор постоянного тока – принцип действия, устройство, как работает

Генератор постоянного тока предназначен для преобразования кинетической энергии в электрическую. Используется в качестве источника электроэнергии в тепловозах, автомобилях, промышленных установках и т.д.

Представляет собой обратимую электрическую машину. В зависимости от схемы подключения может работать как генератор или как электродвигатель.

Принцип действия генератора постоянного тока основан на физическом явлении электромагнитной индукции. Заключается в том, что если проводник передвигается в магнитном поле, в нем возникает электрический ток. Такой ток называется индукционным.

Важным условием является то, что проводник должен пересекать поле, а не двигаться вдоль него.

Схематично это явление можно описать следующим образом. Если проводник, например, медную проволоку в виде рамки поместить между двумя полюсами подковообразного магнита, он будет находиться в постоянном магнитном поле.

Затем начнем вращать эту рамку. В процессе вращения она будет пересекать магнитный поток. Вследствие этого, внутри проволоки индуцируется электродвижущая сила э.д.с.

Если концы этой рамки соединить, то под воздействием э.д.с., потечет индукционный ток. Если включить в эту цепь амперметр, он покажет наличие в ней тока. Это и есть самый простой макет генератора.

Для того, чтобы подключить рамку к электрической цепи, ее крепят к полукольцам. Две щетки контактируют с вращающимися полукольцами поочередно, и через них индукционный ток поступает далее в электрическую цепь. Полукольца устанавливают на оси, вокруг которой вращается рамка. Это упрощенная схема коллектора.

Когда рамка переходит через горизонтальное положение (нейтраль), щетки одновременно переключаются с одного полукольца на второе. В этот момент стороны рамки магнитных силовых линий не пересекают. В таком положении э.д.с. и, соответственно, ток равны 0. Благодаря этому переключение щеток не сопровождается искрением.

На величину электродвижущей силы влияют следующие факторы:

• длина проволоки;
• величина индукции магнитного поля;
• частота вращения.

Величина э.д.с. (Е) меняется по синусоидальной траектории, с пиками при прохождении рамкой вертикальных положений. В эти моменты она перпендикулярно пересекает максимум силовых линий. Нулевые значения отмечаются при прохождении нейтрали. После ее пересечения э.д.с. меняет свое направление.

В свою очередь, коллектор, чередуя каждые пол оборота полукольца на щетках, выпрямляет переменную э.д.с. На выходе получается пульсирующий, в виде выпрямленной синусоиды, постоянный ток.

КАК НА ВЫХОДЕ ПОЛУЧАЕТСЯ ПОСТОЯННЫЙ ТОК

Для того, чтобы можно было пользоваться генератором, как источником энергии, ток нужно сгладить. Если увеличить количество рамок до двух и расположить их перпендикулярно друг другу. Тогда пиковые значения Е и, соответственно, тока будут возникать уже каждые четверть оборота.

Если их соединить последовательно, индуцируемый ток будет суммироваться. А его выходная характеристика будет иметь вид двух, смещенных между собой на четверть периода выпрямленных синусоид. Пульсация значительно уменьшится.

Если количество последовательных рамок еще увеличивать, тогда значение тока будет все больше приближаться к идеальной прямой. Кроме того, величина электродвижущей силы напрямую зависит от длины проводника. Поэтому количество рамок делают большим, а их совокупность и составляет обмотку вращающейся части генератора — якоря.

Для последовательного соединения витков обмотки, конец предыдущего нужно соединить с началом следующего. Делают это на полукольцах или, как их называют, пластинах. Их количество будет равняться количеству витков.

Другим фактором, влияющим на величину Е, является сила магнитного поля. Индукция магнитного потока обычного магнита слишком маленькая, а потери в среде между двумя полюсами наоборот очень большие.

Для решения первой проблемы вместо постоянного магнита используют гораздо более сильный электромагнит. Для решения второй проблемы сердечник якоря выполняют из стали. Также уменьшают до самого минимума зазор между якорем генератора и полюсами электромагнита.

Ток, протекающий в якоре, образуют своего рода электромагнит, и создает свое магнитное поле. Это явление называется реакция якоря. В нем также возникает реактивная э.д.с. Вместе они искажают магнитное поле. Чтобы это скомпенсировать, устанавливаются добавочные полюса. Они включаются в цепь якоря и полностью перекрывают это негативное воздействие.

По источнику тока возбуждения генераторы бывают:

• с независимым возбуждением;
• с самовозбуждением.

Необходимый для работы генератора магнитный поток создается благодаря току, проходящему через обмотки главных полюсов. Этот ток называется током возбуждения. При независимом возбуждении обмотка питается от аккумулятора или другого источника питания. При самовозбуждении питается током якоря.

Благодаря тому, что сердечники полюсов обладают остаточным магнетизмом, они создают небольшой магнитный поток. Если якорь начинает вращаться, этого потока достаточно для появления в витках якоря небольшого индукционного тока.

Этот ток, попадая в обмотку возбуждения полюсов, усиливает рабочий магнитный поток. Это приводит к увеличению тока в якоре и происходит цепная реакция. Таким образом, генератор быстро выходит на расчетную мощность.

По схеме подключения обмотки якоря к обмотке возбуждения генераторы с самовозбуждением делятся на три типа:

• с параллельным возбуждением;
• с последовательным возбуждением;
• со смешанным возбуждением.

Схема возбуждения влияет на характеристики генератора и особенности его применения. Основным его параметром является внешняя характеристика, выражающая зависимость напряжения на выходе от тока нагрузки при заданной частоте вращения и параметрах возбуждения. Также к основным характеристикам относится мощность и КПД, который достигает 90-95%.

УСТРОЙСТВО ГЕНЕРАТОРА ПОСТОЯННОГО ТОКА

Генератор состоит из двух частей:

• подвижная вращающаяся часть якорь;
• неподвижная – статор.

Статор состоит из станины, магнитных полюсов, подшипникового щита с подшипниками. Станина — это несущая часть генератора, на которой размещены все его части. Внутри установлены полюсы с сердечниками и обмотками возбуждения. Изготавливается из ферромагнитных материалов.

Ротор или якорь состоит из сердечника, вала, коллектора и вентилятора. В качестве опоры для якоря используются подшипники, установленные на боковых подшипниковых щитах статора.

Преимущества и область применения.

Генераторы постоянного тока обладают следующими достоинствами:

• простота конструкции, компактность;
• надежность;
• экономичность;
• обратимость, то есть возможность использования в качестве электродвигателя;
• практически линейная внешняя характеристика.

Недостатки:

• высокая стоимость;
• ограниченный срок службы щеточно-коллекторного узла.

Используются в различных отраслях производства, в строительстве, в промышленных установках, сварочном оборудовании, в машиностроении, на предприятиях металлургической промышленности, в автомобильном, железнодорожном, воздушном и морском, транспорте.

  *  *  *

© 2014-2023 г.г. Все права защищены.
Материалы сайта имеют ознакомительный характер, могут выражать мнение автора и не подлежат использованию в качестве руководящих и нормативных документов.

устройство и принцип действия агрегата.

18.05.2015 18.05.2015 / Генератор

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

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

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

Принцип работы генератора постоянного тока

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

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

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

[blockquote_gray]Есть несколько методов для решения вопроса: как подключить генератор к сети дома. Можно использовать перекидной или реверсивный рубильник, или же устанавливать агрегат с автоматической системой запуска.

Как находить возможные неисправности генераторов и чинить их — подскажет подробная инструкция.[/blockquote_gray]

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

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

Выясняем, как устроен агрегат

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

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

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

[attention type=yellow]Также на корпусе предусматривается место для крепления токосъемных щеток. [/attention]В зависимости от количества полюсов магнитов на статоре меняется и количество графитовых элементов. Сколько пар полюсов, столько и щеток.

Типы подключения электрических магнитов статора

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

• с независимым возбуждением;
• параллельным;
• последовательным.

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

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

[blockquote_gray]Для выбора оптимальной температуры жала инструмента вполне возможно сделать регулятор мощности для паяльника своими руками. При этом существует несколько схем сборки, у которых есть свои преимущества и недостатки.

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

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

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

Устройство и принцип работы генератора постоянного тока на видео

Генератор постоянного тока – определение, составные части и принцип работы

Машины, преобразующие механическую энергию в электрическую, называются электрическими генераторами. Произведенная электрическая энергия далее передается и распределяется по линиям электропередач для бытового, коммерческого использования. Существует два типа генераторов:

• Генератор переменного тока

• Генератор постоянного тока

Генератор постоянного тока представляет собой тип электрического генератора, который преобразует механическую энергию в электричество постоянного тока. Однако генератор, который преобразует механическую энергию в электричество переменного тока, является генератором переменного тока.

Вы знаете, почему мы изучаем принцип работы генераторов? На этой странице мы ответим на все наши вопросы по деталям генератора постоянного тока, принципу работы и тому, как мы описываем его в математических терминах.

Что насчет генераторов постоянного тока?

В генераторах постоянного тока преобразование энергии основано на принципе динамического производства ЭДС. Эти генераторы больше всего подходят для автономных приложений. Генераторы постоянного тока обеспечивают постоянную мощность для электроаккумуляторов и электрических сетей (DC).

(Изображение будет загружено в ближайшее время)

Генератор постоянного тока состоит из следующих частей —

1. Статор — Статор представляет собой набор из двух магнитов, расположенных таким образом, что противоположные полярности обращены друг к другу. Цель статора — создать магнитное поле в области вращения катушки.

2. Ротор — Ротор представляет собой цилиндрический многослойный сердечник с прорезями.

3. Сердечник якоря — Сердечник якоря имеет цилиндрическую форму и имеет канавки на внешней поверхности. В этих пазах размещается обмотка якоря.

4. Обмотка якоря — Это изолированные проводники, помещенные в сердечник якоря. Благодаря им происходит фактическое преобразование мощности.

5. Катушки возбуждения — Для создания магнитного поля катушки возбуждения размещаются над полюсным сердечником. Катушки возбуждения всех полюсов соединены последовательно. Когда через них протекает ток, соседние полюса приобретают противоположную полярность.

6. Хомут — внешняя полая цилиндрическая конструкция известна как Хомут. Он обеспечивает поддержку основных и межполюсных полюсов и обеспечивает путь с низким магнитным сопротивлением для магнитного потока.

7. Полюса — Основная функция полюсов — поддержка катушек возбуждения. Он увеличивает площадь поперечного сечения магнитопровода, что приводит к равномерному распространению магнитного потока.

8. Полюсный башмак — Для защиты катушки возбуждения от падения и для улучшения равномерного распространения магнитного потока используется полюсный башмак. Башмак для столба крепится к хомуту.

9. Коллектор — Коллектор имеет цилиндрическую форму. Несколько клиновидных жесткотянутых медных сегментов образуют коммутатор. Функции коммутатора:

Принцип работы генератора постоянного тока

Генератор постоянного тока работает по принципу электромагнитной индукции Фарадея. Согласно закону Фарадея, всякий раз, когда проводник помещается в флуктуирующее магнитное поле (или когда проводник перемещается в магнитном поле), в проводнике индуцируется ЭДС.

(Изображение будет загружено в ближайшее время)

Если проводник проходит по замкнутому пути, ток будет индуцироваться. Направление индуцированного тока (определяемое правилом правой руки Флеминга) изменяется при изменении направления движения проводника.

Например, рассмотрим случай, когда якорь вращается по часовой стрелке, а проводник слева движется вверх. Когда якорь совершит полуоборот, направление движения проводника изменится на обратное вниз. Направление тока будет переменным. При перепутывании соединений проводников якоря происходит реверсирование тока. Таким образом, мы получаем однонаправленный ток на клеммах.

Уравнение ЭДС генератора постоянного тока

Уравнение ЭДС для генератора постоянного тока выражается следующим образом:

Eg = (PØNZ)/60A

Где,

Eg — Генерируемая ЭДС на любом параллельном пути

P — Общее количество полюсов в поле

N — Вращательное скорость якоря (об/мин)

Z — Общее количество проводников якоря в поле.

Ø- Магнитный поток, создаваемый на полюс.

А — количество параллельных путей в якоре.

Потери в генераторах постоянного тока

При преобразовании механической энергии в электрическую имеют место потери энергии, т. е. не весь вход преобразуется в выход. Эти потери подразделяются в основном на три типа:

Потери в меди. Эти потери возникают при протекании тока по обмоткам и бывают трех типов: потери в меди в якоре, потери в обмотке возбуждения и потери из-за сопротивления щеток.

Потери в железе — Из-за индукции тока в якоре возникают потери на вихревые токи и потери на гистерезис. Эти потери также называются потерями в сердечнике или магнитными потерями.

Механические потери. Потери, возникающие из-за трения между частями генератора, называются механическими потерями.

Типы генераторов постоянного тока

Существует три типа генераторов постоянного тока с самовозбуждением:

• Серийные генераторы обмотки.

• Генераторы шунтовых ран.

• Генераторы составных ран.

Применение генераторов постоянного тока

Применение генераторов постоянного тока:

1. Генератор постоянного тока с независимым возбуждением используется для питания и освещения с использованием регуляторов возбуждения.

2. Генератор постоянного тока серии используется в дуговых лампах для генератора стабильного тока, освещения и усилителя.

3. Уровневые составные генераторы постоянного тока применяются для электроснабжения общежитий, офисов, лоджей.

4. Составные генераторы постоянного тока используются для питания сварочных аппаратов постоянного тока.

5. Генератор постоянного тока используется для компенсации падения напряжения в фидерах.

Базовая конструкция и работа генератора постоянного тока.

Генератор постоянного тока представляет собой электрическую машину, которая преобразует механическую энергию в электричество постоянного тока . Это преобразование энергии основано на принципе создания динамически индуцированной ЭДС. В этой статье описывается базовая конструкция и работа генератора постоянного тока .

Конструкция машины постоянного тока:

Примечание: Теоретически генератор постоянного тока можно использовать в качестве двигателя постоянного тока без каких-либо конструктивных изменений, и наоборот. Следовательно, генератор постоянного тока или двигатель постоянного тока можно в широком смысле назвать Машина постоянного тока . Эти основные конструктивные детали также действительны как для генератора постоянного тока , так и для двигателя постоянного тока . Следовательно, давайте назовем этот пункт построением машины постоянного тока , а не просто «конструированием генератора постоянного тока».

На приведенном выше рисунке показаны детали конструкции простой 4-полюсной машины постоянного тока . Машина постоянного тока состоит из двух основных частей; статор и ротор. Основные конструктивные части машины постоянного тока описаны ниже.

1. Хомут: Внешняя рама машины постоянного тока называется ярмом. Изготавливается из чугуна или стали. Он не только обеспечивает механическую прочность всей сборки, но и пропускает магнитный поток, создаваемый обмоткой возбуждения.
2. Стойки и башмаки: Стойки крепятся к хомуту с помощью болтов или сварки. Они несут обмотку возбуждения и к ним крепятся полюсные башмаки. Обувь с шестом служит двум целям; (i) они поддерживают катушки возбуждения и (ii) равномерно распределяют поток в воздушном зазоре.
3. Обмотка возбуждения: Обычно изготавливаются из меди. Катушки возбуждения предварительно намотаны и размещены на каждом полюсе и соединены последовательно. Они намотаны таким образом, что при подаче напряжения они образуют чередующиеся северный и южный полюса.

Сердечник якоря (ротора)

4. Сердечник якоря: Сердечник якоря представляет собой ротор машины постоянного тока. Он имеет цилиндрическую форму с прорезями для обмотки якоря. Якорь состоит из тонких многослойных круглых стальных дисков для уменьшения потерь на вихревые токи. Он может быть снабжен воздуховодами для осевого потока воздуха в целях охлаждения. Якорь приварен (закреплен) к валу.
5. Обмотка якоря: Обычно это бывшая медная обмотка, которая вставляется в пазы якоря. Проводники якоря изолированы друг от друга, а также от сердечника якоря. Обмотка якоря может быть намотана одним из двух способов; обмотка внахлест или волновая обмотка. Обычно используются двухслойные обмотки внахлестку или волновые обмотки. Двухслойная обмотка означает, что в каждый слот якоря помещаются две разные катушки.
6. Коллектор и щетки: Физическое соединение с обмоткой якоря осуществляется через коммутатор-щетку. Функция коммутатора в генераторе постоянного тока состоит в том, чтобы собирать ток, генерируемый в проводниках якоря. Принимая во внимание, что в случае двигателя постоянного тока коммутатор помогает подавать ток на проводники якоря. Коммутатор состоит из набора медных сегментов, изолированных друг от друга. Количество сегментов равно количеству витков якоря. Каждый сегмент соединен с катушкой якоря, а коммутатор закреплен шпонкой (или закреплен) на валу. Щетки обычно изготавливаются из углерода или графита. Они опираются на сегменты коммутатора и скользят по сегментам, когда коммутатор вращается, сохраняя физический контакт для сбора или подачи тока.

Коллектор

Принцип работы генератора постоянного тока:

В соответствии с законами электромагнитной индукции Фарадея, всякий раз, когда проводник помещается в переменное магнитное поле (ИЛИ проводник перемещается в магнитном поле), в проводнике индуцируется ЭДС (электродвижущая сила). . Величину ЭДС индукции можно рассчитать из уравнения ЭДС генератора постоянного тока. Если проводник имеет замкнутый путь, индуцированный ток будет циркулировать внутри пути. В генераторе постоянного тока катушки возбуждения создают электромагнитное поле, а проводники якоря вращаются в поле. Таким образом, в проводниках якоря возникает ЭДС электромагнитного поля. Направление индукционного тока определяется правилом правой руки Флеминга.

Необходимость коммутатора с разъемным кольцом:

В соответствии с правилом правой руки Флеминга направление индуцированного тока изменяется всякий раз, когда изменяется направление движения проводника. Пусть якорь вращается по часовой стрелке, а проводник слева движется вверх. Когда якорь совершит половину оборота, направление движения этого конкретного проводника изменится на нисходящее. Следовательно, направление тока в каждом проводнике якоря будет переменным. Если вы посмотрите на приведенный выше рисунок, вы узнаете, как меняется направление индуцированного тока в проводнике якоря.