Принцип действия генератора постоянного тока кратко: Генератор постоянного тока: устройство, принцип работы, классификация


0
Categories : Разное

Содержание

Генератор постоянного тока: устройство, принцип работы, классификация

На заре электрификации генератор постоянного тока оставался безальтернативным источником электрической энергии. Довольно быстро эти альтернаторы были вытеснены более совершенными и надёжными трехфазными генераторами переменного тока. В некоторых отраслях постоянный ток продолжал быть востребованным, поэтому устройства для его генерации совершенствовались и развивались.

Даже в наше время, когда изобретены мощные выпрямительные устройства, актуальность генераторов постоянного электротока не потерялась. Например, они используются для питания силовых линий на городском электротранспорте, используемых трамваями и троллейбусами. Такие генераторы по-прежнему используют в технике электросвязи в качестве источников постоянного электротока в низковольтных цепях.

Устройство и принцип работы

В основе действия генератора лежит принцип, вытекающий из закона электромагнитной индукции. Если между полюсами постоянного магнита поместить замкнутый контур, то при вращении он будет пересекать магнитный поток (см.

рис. 1). По закону электромагнитной индукции в момент пересечения индуцируется ЭДС. Электродвижущая сила возрастает по мере приближения проводника к полюсу магнита. Если к коллектору (два жёлтых полукольца на рисунке) подсоединить нагрузку R, то через образованную электрическую цепь потечёт ток.

Рис. 1. Принцип действия генератора постоянного тока

По мере выхода витков рамки из зоны действия магнитного потока ЭДС ослабевает и приобретает нулевое значение в тот момент, когда рамка расположится горизонтально. Продолжая вращение контура, его противоположные стороны меняют магнитную полярность: часть рамки, которая находилась под северным полюсом, занимает положение над южным магнитным полюсом.

Величины ЭДС в каждой активной обмотке контура определяются по формуле: e1 = Blvsinwt; e2 = -Blvsinwt; , где Bмагнитная индукция, l

– длина стороны рамки, v – линейная скорость вращения контура, tвремя, wt – угол, под которым рамка пересекает магнитный поток.  

При смене полюсов меняется направление тока. Но благодаря тому, что коллектор поворачивается синхронно с рамкой, ток на нагрузке всегда направлен в одну сторону. То есть рассматриваемая модель обеспечивает выработку постоянного электричества. Результирующая ЭДС имеет вид: e = 2Blvsinwt, а это значит, что изменение она подчиняется синусоидальному закону.

Строго говоря, данная конструкция обеспечивает только полярность неподвижных щеток, но не устраняет пульсации ЭДС. Поэтому график сгенерированного тока имеет вид, как показано на рис.2.

Рисунок 2. График тока, выработанного примитивным генератором

Такой ток, за исключением редких случаев, не пригоден для использования. Приходится сглаживать пульсации до приемлемого уровня. Для этого увеличивают количество полюсов постоянных магнитов, а вместо простой рамки используют более сложную конструкцию – якорь, с большим числом обмоток и соответствующим количеством коллекторных пластин (см. рис. 3). Кроме того, обмотки соединяются разными способами, о чём речь пойдёт ниже.

Рис. 3. Ротор генератора

Якорь изготавливается из листовой стали. На сердечниках якоря имеются пазы, в которые укладываются несколько витков провода, образующего рабочую обмотку ротора. Проводники в пазах соединены последовательно и образуют катушки (секции), которые в свою очередь через пластины коллектора создают замкнутую цепь.

С точки зрения физики процесса генерации не имеет значения, какие детали вращаются – обмотки контура или сам магнит. Поэтому на практике якоря для маломощных генераторов делают из постоянных магнитов, а полученный переменный ток выпрямляют диодными мостами и другими схемами.

И напоследок: если на коллектор подать постоянное напряжение, то генераторы постоянного тока могут работать в режиме синхронных двигателей.

Конструкция двигателя (он же генератор) понятна из рисунка 4. Неподвижный статор состоит из двух сердечников полюсов, состоящих из ферримагнитных пластин, и обмоток возбуждения, соединённых последовательно. Щётки расположены по одной линии друг против друга. Для охлаждения обмоток используется вентилятор.

Рис. 4. Двигатель постоянного тока

Классификация

Различают два вида генераторов постоянного тока:

  • с независимым возбуждением обмоток;
  • с самовозбуждением.

Для самовозбуждения генераторов используют электричество, вырабатываемое самим устройством. По принципу соединения обмоток якоря самовозбуждающиеся альтернаторы с делятся на типы:

  • устройства с параллельным возбуждением;
  • альтернаторы с последовательным возбуждением;
  • устройства смешанного типа (компудные генераторы).

Рассмотрим более подробно особенности каждого типа соединения якорных обмоток.

С параллельным возбуждением

Для обеспечения нормальной работы электроприборов, требуется наличие стабильного напряжения на зажимах генераторов, не зависящее от изменения общей нагрузки. Задача решается путём регулировки параметров возбуждения.

В альтернаторах с параллельным возбуждением выводы катушки подключены через регулировочный реостат параллельно якорной обмотке.

Реостаты возбуждения могут замыкать обмотку «на себя». Если этого не сделать, то при разрыве цепи возбуждения, в обмотке резко увеличится ЭДС самоиндукции, которая может пробить изоляцию. В состоянии, соответствующем короткому замыканию, энергия рассеивается в виде тепла, предотвращая разрушение генератора.

Электрические машины с параллельным возбуждением не нуждаются во внешнем источнике питания. Благодаря наличию остаточного магнетизма всегда присутствующего в сердечнике электромагнита происходит самовозбуждение параллельных обмоток. Для увеличения остаточного магнетизма в катушках возбуждения сердечники электромагнитов делают из литой стали.

Процесс самовозбуждения продолжается до момента, пока сила тока не достигнет своей предельной величины, а ЭДС не выйдет на номинальные  показатели при оптимальных оборотах вращения якоря.

Достоинство: на генераторы с параллельным возбуждением слабо влияют токи при КЗ.

С независимым возбуждением

В качестве источника питания для обмоток возбуждения часто используют аккумуляторы или другие внешние устройства. В моделях маломощных машин используют постоянные магниты, которые обеспечивают наличие основного магнитного потока.

На валу мощных генераторов расположен генератор-возбудитель, вырабатывающий постоянный ток для возбуждения основных обмоток якоря. Для возбуждения достаточно 1 – 3% номинального тока якоря и не зависит от него. Изменение ЭДС осуществляется регулировочным реостатом.

Преимущество независимого возбуждения состоит в том, что на возбуждающий ток никак не влияет напряжение на зажимах. А это обеспечивает хорошие внешние характеристики альтернатора.

С последовательным возбуждением

Последовательные обмотки вырабатывают ток, равен току генератора. Поскольку на холостом ходе нагрузка равна нулю, то и возбуждение нулевое. Это значит, что характеристику холостого хода невозможно снять, то есть регулировочные характеристики отсутствуют.

В генераторах с последовательным возбуждением практически отсутствует ток, при вращении ротора на холостых оборотах. Для запуска процесса возбуждения необходимо к зажимам генератора подключить внешнюю нагрузку. Такая выраженная зависимость напряжения от нагрузки является недостатком последовательных обмоток. Такие устройства можно использовать только для питания электроприборов с постоянной нагрузкой.

Со смешанным возбуждением

Полезные характеристики сочетают в себе конструкции генераторов со смешанным возбуждением. Их особенности: устройства имеют две катушки – основную, подключённую параллельно обмоткам якоря и вспомогательную, которая подключена последовательно. В цепь параллельной обмотки включён реостат, используемый для регулировки тока возбуждения.

Процесс самовозбуждения альтернатора со смешанным возбуждением аналогичен тому, который имеет генератор с параллельными обмотками (из-за отсутствия начального тока последовательная обмотка в самовозбуждении не участвует). Характеристика холостого хода такая же, как у альтернатора с параллельной обмоткой. Это позволяет регулировать напряжения на зажимах генератора.

Смешанное возбуждение сглаживает пульсацию напряжения при номинальной нагрузке. В этом состоит главное преимущество таких альтернаторов перед прочими типами генераторов. Недостатком является сложность конструкции, что ведёт к удорожанию этих устройств. Не терпят такие генераторы и коротких замыканий.

Технические характеристики генератора постоянного тока

Работу генератора характеризуют зависимости между основными величинами, которые называются его характеристиками. К основным характеристикам можно отнести:

  • зависимости между величинами при работе на холостом ходе;
  • характеристики внешних параметров;
  • регулировочные величины.

Некоторые регулировочные характеристики и зависимости холостого хода мы раскрыли частично в разделе «Классификация». Остановимся кратко на внешних характеристиках, которые соответствуют работе генератора в номинальном режиме.

Внешняя характеристика очень важна, так как она показывает зависимость напряжения от нагрузки, и снимается при стабильной скорости оборотов якоря.

Внешняя характеристика генератора постоянного тока с независимым возбуждением выглядит следующим образом: это кривая, зависимости напряжения от нагрузки (см. рис. 5).  Как видно на графике падение напряжения наблюдается, но оно не сильно зависит от тока нагрузки (при сохранении скорости оборотов двигателя, вращающего якорь).

Рис. 5. Внешняя характеристика ГПТ

В генераторах с параллельным возбуждением зависимость напряжения от нагрузки сильнее выражена (см. рис. 6).  Это связано с падением тока возбуждения в обмотках. Чем выше нагрузочный ток, тем стремительнее будет падать напряжение на зажимах генератора. В частности, при постепенном падении сопротивления до уровня КЗ, напряжение падёт до нуля. Но резкое замыкание в цепи вызывает обратную реакцию генератора и может быть губительным для электрической машины этого типа.

Рис. 6. Характеристика ГПТ с параллельным возбуждением

Увеличение тока нагрузки при последовательном возбуждении ведёт к росту ЭДС. (см. верхнюю кривую на рис. 7). Однако напряжение (нижняя кривая) отстаёт от ЭДС, поскольку часть энергии расходуется на электрические потери от присутствующих вихревых токов.

Рис. 7. Внешняя характеристика генератора с последовательным возбуждением

Обратите внимание на то, что при достижении своего максимума напряжение, с увеличением нагрузки, начинает резко падать, хотя кривая ЭДС продолжает стремиться вверх. Такое поведение является недостатком, что ограничивает применение альтернатора этого типа.

В генераторах со смешанным возбуждением предусмотрены встречные включения обеих катушек – последовательной и параллельной. Результирующая намагничивающая сила при согласном включении равна векторной сумме намагничивающих сил этих обмоток, а при встречном – разнице этих сил.

В процессе плавного увеличении нагрузки от момента холостого хода до номинального уровня, напряжение на зажимах будет практически постоянным (кривая 2 на рис. 8). Увеличение напряжения наблюдается в том случае, если количество проводников последовательной обмотки будет превышать количество витков соответствующее номинальному возбуждению якоря (кривая 1).

Изменение напряжения для случая с меньшим числом витков в последовательной обмотке, изображает кривая 3. Встречное включение обмоток иллюстрирует кривая 4.

Рис. 8. Внешняя характеристика ГПТ со смешанным возбуждением

Генераторы со встречным включением используют тогда, когда необходимо ограничить токи КЗ, например, при подключении сварочных аппаратов.

В нормально возбуждённых устройствах смешанного типа ток возбуждения постоянный и от нагрузки почти не зависит.

Реакция якоря

Когда к генератору подключена внешняя нагрузка, то токи в его обмотке образуют собственное магнитное поле. Возникает магнитное сопротивление полей статора и ротора. Результирующее поле сильнее в тех точках, где якорь набегает на полюсы магнита, и слабее там, где он с них сбегает. Другими словами якорь реагирует на магнитное насыщение стали в сердечниках катушек. Интенсивность реакции якоря зависит от насыщения в магнитопроводах. Результатом такой реакции является искрение щёток на коллекторных пластинах.

Снизить реакцию якоря можно путём применения компенсирующих дополнительных магнитных полюсов или сдвигом щёток с осевой линии геометрической нейтрали.

ЭДС

Среднее значение электродвижущей силы пропорционально магнитному потоку, количеству активных проводников в обмотках и частоте вращения якоря. Увеличивая или уменьшая указанные параметры можно управлять величиной ЭДС, а значит и напряжением. Проще всего, желаемого результата можно достичь путём регулировки частоты вращения якоря.

Мощность

Различают полную и полезную мощность генератора. При постоянной ЭДС полная мощность пропорциональна току: P = EIa. Отдаваемая в цепь полезная мощность P1 = UI.

КПД

Важной характеристикой альтернатора является его КПД – отношение полезной мощности к полной. Обозначим данную величину символом ηe. Тогда: ηe=P1/P.

На холостом ходе ηe = 0. максимальное значение КПД – при номинальных нагрузках. Коэффициент полезного действия в мощных генераторах приближается к 90%.

Применение

До недавнего времени использование тяговых генераторов постоянного тока на ж/д транспорте было безальтернативным. Однако уже начался процесс вытеснения этих генераторов синхронными трёхфазными устройствами. Переменный ток, синхронного альтернатора выпрямляют с помощью выпрямительных полупроводниковых установок.

На некоторых российских локомотивах нового поколения уже применяют асинхронные двигатели, работающие на переменном токе.

Похожая ситуация наблюдается с автомобильными генераторами. Альтернаторы постоянного тока заменяют асинхронными генераторами, с последующим выпрямлением.

Пожалуй, только передвижные сварочные аппараты с автономным питанием неизменно остаются в паре с альтернаторами постоянного тока. Не отказались от применения мощных генераторов постоянного тока также некоторые отрасли промышленности.

Видео по теме

Список использованной литературы

  • Вольдек А. И., Попов В. В. «Электрические машины. Введение в электромеханику. Машины постоянного тока и трансформаторы» 2008
  • О.А.Косарева «Шпаргалка по общей электротехники и электроники»
  • Китаев В. Е., Корхов Ю. М., Свирин В. К. «Электрические машины» Часть 1. Машины постоянного тока. 1978
  • Данилов И.А., Лотоцкий К.В. «Электрические машины» 1972

Принцип Действия Двигателя Постоянного Тока: Что Нужно Знать

Мощный двигатель постоянного тока

Тема нашей сегодняшней статьи — принцип действия электродвигателя постоянного тока. Если вы бываете на нашем сайте, то наверняка уже знаете, что эту тему мы решили раскрыть более полно и понемногу разбираем все разновидности электромотором и электрогенераторов.

Постоянный ток известен человечеству вот уже где-то 200 лет, эффективно применять его научились немного позже, а вот сегодня трудно себе представить деятельность человека, где бы энергия не применялась. Приблизительно таким же образом происходила и эволюция электрических двигателей.

Немного истории и теории

Первые электрические двигатели

Бурное развитие электротехники не прекращается с момента зарождения этого направления в физике. Первыми разработками, связанными с электрическими моторами, были работы многих ученых в 20-х годах 19-го столетия. Изобретали всяких мастей пытались соорудить механические машины, способные превращать электрическую энергию в кинетическую.

  • Особую значимость имеют исследования М. Фарадея, который в 1821 году, проводя эксперименты по взаимодействию тока и разных проводников, выяснил, что проводник может вращаться внутри магнитного поля, ровно как вокруг проводника может вращаться и магнит.
  • Второй этап развития занял более значительный отрезок времени от 1830-х до 1860-х годов. Теперь, кода основные принципы преобразования энергии человеку были известны, он пытался создать наиболее эффективную конструкцию двигателя с вращающимся якорем.
  • В 1833 году американский изобретатель и по совместительству кузнец Томас Девенпорт смог построить первый роторный двигатель, работающий на постоянном токе, и сконструировать модель поезда, приводимую им в движение. На свою электрическую машину он получил патент спустя 4 года.

Б.С. Якоби

  • В 1834 году Борис Семенович Якоби, русско-немецкий физик и изобретатель, создает первый в мире электродвигатель постоянного тока, в котором смог таки реализовать основной принцип работы таких машин, применяемый и сегодня – с постоянно вращающейся частью.
  • В 1838 году, 13 сентября был произведен пуск настоящей лодки по Неве с 12-ю пассажирами на борту – так происходили полевые испытания двигателя Якоби. Лодка двигалась со скоростью 3 км\ч против течения. Привод двигателя был соединен с лопастными колесами по бокам, как на пароходах того времени. Электрический ток подавался к агрегату от батареи содержащей 320 гальванических элементов.

Лодка с лопастными колесами

Результатом проведенных испытаний стала возможность формирования основных принципов дальнейшего развития электромоторов:

  • Во-первых, стало ясно, что расширение сферы их применения напрямую зависит от удешевления способов получения электрической энергии – требовался надежный и недорогой генератор, а не дорогостоящие на тот момент гальванические батареи.
  • Во-вторых, требовалось создать достаточно компактные двигатели, которые бы, однако, обладали большим коэффициентом полезного действия.
  • И в третьих – были очевидны преимущества двигателей с вращающимися неоднополюсными якорями, с постоянным вращающимся моментом.

Работа шунтового генератора

Затем наступает третий этап развития электромоторов, который ознаменован открытием явления самовозбуждения двигателя электрического тока, после чего был сформирован принцип обратимости таких машин, то есть двигатель может быть генератором, и наоборот. Теперь для того чтобы запитать двигатель начали применять недорогие генераторы тока, что в принципе делается и сегодня.

Интересно знать! Любая электрическая сеть подключена к электростанции, вырабатывающей ток. Сама станция, по сути, и есть набор мощнейших генераторов, приводимых в движение разными способами: течение реки, энергия ветра, ядерные реакции и прочее. Исключение составляют, разве что, фотоэлементы в солнечных батареях, но это уже другая, дорогая, пока не нашедшая достаточного распространения история.

Вид современной конструкции электродвигатель приобрел в далеком 1886 году, после чего в него вносились только доработки и усовершенствования.

Основные принципы функционирования

Двигатели постоянного тока и принцип действия: вспоминаем школьные уроки физики

В основу любого электрического двигателя положен принцип магнитного притягивания и отталкивания. В качестве эксперимента можете провести такой простейший опыт.

  • Внутрь магнитного поля нужно поместить проводник, по которому нужно пропустить электрический ток.
  • Для этого удобнее всего пользоваться магнитом в форме подковы, а в качестве проводника подойдет медная проволока подключенная концами к батарейке.
  • В результате опыта вы увидите, что проволоку вытолкнет из области действия постоянного магнита. Почему это происходит?
  • Дело в том, что при прохождении тока через проводник, вокруг последнего создается электромагнитное поле, которое вступает во взаимодействие с уже имеющимся, от постоянного магнита. Как результат этого взаимодействия, мы видим механическое движение проводника.
  • Если говорить более подробно, то выглядит это так. Когда круговое поле проводника вступает во взаимодействие с постоянным от магнита, то сила магнитного поля с одной стороны возрастает, а с другой уменьшается, из-за чего провод выталкивает из области действия магнита под углом 90 градусов.

Занимательная физика

  • Направление, в котором вытолкнет проводник можно установить по правилу левой руки, которое применимо только к электродвигателям. Правило гласит следующее – левую руку нужно поместить в магнитное поле так, чтобы его силовые линии входили в нее с ладони, а 4 пальца были направлены по ходу движения положительных зарядов, тогда отведенный в сторону большой палец покажет направление воздействующей на проводник движущей силы.

Эти простые принципы двигателя постоянного тока применяется и поныне. Однако в современных агрегатах вместо постоянных магнитов применяют электрические, а рамки заменяют сложные системы обмоток.

Строение двигателя

Двигатель постоянного тока и устройство

Давайте теперь более подробно разберем, как устроен двигатель постоянного тока, какие в нем имеются детали и как они взаимодействуют друг с другом.

Продолжение теории

Принцип и устройство двигателя постоянного тока

Сконструировать простейший двигатель постоянного тока вы легко сможете своими руками. Инструкция такова, что достаточно соорудить прямоугольную рамку из проводника, способную вращаться вокруг центральной оси.

  • Рамка помещается в магнитное поле, после чего на ее концы подается постоянное напряжение, от той же батарейки.
  • Так только по рамке начинает течь ток, она приходит в движение, пока не займет горизонтальное положение, называемое нейтральным или «мертвым», когда воздействие поля на проводник равно нулю.
  • По идее, рамка должна остановиться, но этого не произойдет, так как она пройдет «мертвую» точку по инерции, а значит, электродвижущие силы снова начнут возрастать. Но из-за того, что ток теперь течет в обратном направлении относительно магнитного поля, будет наблюдать сильный эффект торможения, что несопоставимо с нормальной работой двигателя.
  • Чтобы процесс протекал нормально нужно предусмотреть такую конструкцию подключения рамки к питанию, при которой в момент прохождения тока через нулевую точку будет происходить переключение полюсов, а значит, относительно магнитного поля ток потечет в прежнем направлении.

В качестве такого устройства применяется коллектор, состоящий их изолированных пластин, но давайте поговорим о нем чуть позже.

В виде альтернативы можно изготовить такую рамку, что показана на фото выше. Ее отличие в том, что по двум контурам рамки ток протекает в одном направлении, что позволяет избавиться от коллектора, однако такой электромотор крайне неэффективен, из-за постоянно воздействующих тормозящих сил.

Получив вращение ротора, к нему можно приладить привод и дать сопоставимую мощности двигателя нагрузку, получая тем самым работающую модель.

Строение электромотора постоянного тока

Каково устройство электродвигателя постоянного тока

Итак, переходим к строению двигателей:

  • Статор или индуктор – неподвижная часть двигателя, представляющая собой деталь, создающую постоянное электромагнитное поле. Состоит статор из сердечника, выполненного из тонколистовой стали (из пластин определенного профиля набирается деталь нужного размера) и обмотки.

Принцип действия и устройство двигателя постоянного тока: статор

  • Обмотка укладывается в пазы сердечника определенным образом, формируя основные и добавочные магнитные полюса, естественно, при включении в сеть.
  • Обмотка возбуждения находится на главных полюсах, тогда как на добавочных она служит для улучшения коммутации – увеличивает эффективность мотора, его КПД.

Якорь двигателя постоянного тока

  • Ротор двигателя, являющийся тут якорем, тоже имеет похожее строение, но отличает его, прежде всего то, то данный узел двигателя является подвижным. Именно он заменяет вращающуюся рамку из примеров, рассмотренных выше.
  • Витки обмотки якоря изолированы друг от друга и соединяются с контактными пластинами коллектора, через которые и подается питание.
  • Все части ротора закреплены на металлическом валу, который является центральной осью вращения двигателя. К нему же и подключается привод, передающий крутящий момент на внешние механизмы.

Вид коллектора

  • Коллектор (полосатый цилиндр, насаженный на вал) соединен с питающей сетью через щетки, которые выполняются чаще всего из графита. Вообще строение коллектора таково, что контактные пластины также изолированы, что позволяет эффективно менять направление тока в цепи, чтобы избегать торможения двигателя.
  • Сами щетки имеют скользящий контакт с пластинами коллектора, и удерживаются в одном положении при помощи щеткодержателей. Поддерживать постоянное напряжение контакта (а ведь мы знаем, что щетки истираются и истончаются) помогают пружины.

Графитовые щетки

  • Щетки соединены медными проводами с питающей сетью. Дальше начинается внешняя схема электропитания и управления, о которой мы поговорим немного позже.

Валовый подшипник качения

  • Следом за коллектором на валу располагается подшипник качения, обеспечивающий плавное вращение. Сверху он защищен специальным полимерным кольцом, защищающим его от пыли.

Совет! Одной из частых поломок электрических двигателей, является выход из строя подшипника. Если вовремя не заменить этот небольшой элемент конструкции, то запросто можно спалить весь двигатель.

  • С обратной стороны обмотки, на том же валу, располагается крыльчатка, поток воздуха от которой эффективно охлаждает двигатель.
  • Следом за крыльчаткой обычно крепится привод, отличающийся параметрами, в зависимости от назначения агрегата, в котором двигатель постоянного тока установлен.

В принципе, на этом все. Как видите, конструкция достаточно проста, и что немаловажно, очень эффективна.

Особенности коллекторных двигателей

Перфоратор в разрезе: такие двигатели универсальны и могут работать как от постоянного, так и от переменного тока, но только при соответствующем подключении

Вообще коллекторный двигатель – это действительно хорошее устройство. Такие агрегаты легчайшим образом поддаются регулировке. Повысить, опустить обороты – не проблема.  Дать четкий крутящий момент или жесткую механическую характеристику – запросто.

Однако, несмотря на ряд неоспоримых преимуществ, двигатель имеет повышенную сложность сборки, относительно двигателей переменного тока с самовозбуждающимся ротором или других бесколлекторных агрегатов, а также меньшую надежность. И вся загвоздка состоит в этом самом коллекторе.

  • Этот узел достаточно дорог, а цена его ремонта иной раз сопоставима с новой деталью, если вообще возможность восстановления имеется.
  • Он забивается при работе токопроводящей пылью, что со временем может стать причиной выхода из строя всего двигателя.
  • Коллектор искрит, создавая при этом помехи, а при высокой нагрузке так и вовсе может полыхнуть, создавая круговой огонь. В таком случае его закоротит дугой, что несовместимо с жизнью двигателя.

Выше мы уже сказали, что его задача менять направление тока в витках обмотки, а теперь хотим разобрать вопрос подробнее.

Все гениальное просто

  • Итак, по сути, данная часть ротора служит выпрямителем тока, то есть переменный ток становится, проходя через него, постоянным, что справедливо для генераторов, или меняет направление тока, если речь идет о двигателях.
  • В случае рассмотренного выше примера с вращающейся в магнитном поле рамкой, требовался коллектор, состоящий из двух изолированных полуколец.
  • Концы рамки подключаются к разным полукольцам, что не позволяет цепи накоротко замкнуться.
  • Как мы помним, коллектор контактирует с щетками, которые установлены таким образом, чтобы они одновременно не контактировали друг с другом и меняли полукольца при прохождении рамкой нулевой точки.

Работа коллектора

Все предельно просто, однако такие двигатели и генераторы не могут быть нормальной мощности в силу конструктива. В результате якорь стали делать с множеством витков, чтобы активные проводники всегда находились максимально близко к полюсам магнита, ведь, вспоминая закон электромагнитной индукции, становится ясно, что именно это положение самое эффективное.

Раз увеличивается количество витков, значит, требуется разбить коллектор на большее число частей, что собственно и является причиной сложности изготовления и дороговизны этого элемента.

Альтернатива коллекторному двигателю

Бесщеточный двигатель постоянного тока

В электронике уже давно царит век полупроводников, что позволяет изготавливать надежные и компактные микросхемы. Так зачем же мы до сих пор пользуемся коллекторными двигателями? А действительно?

  • Инженеры тоже не оставили вопрос незамеченным. В результате коллектор сменили силовые ключи, дополнительно в конструкции появились датчики, регистрирующие текущее положение ротора, чтобы система автоматически определяла момент переключения обмотки.
  • Как мы помним, нет никакой разницы, двигается ли магнит относительно проводника, либо же это происходит наоборот. Поэтому якорем становится статор, а на роторе располагается постоянный магнит или простейшая обмотка, соединенная с питанием через контактные кольца, который вращать внутри конструкции намного проще.

Контактные кольца в простейшем генераторе переменного тока

  • Строение контактных колец чем-то напоминает коллектор, однако они намного надежнее и изготавливать их в условиях производства проще.

В итоге получился новый тип двигателя, а именно бесщеточный двигатель постоянного тока aka BLDC. Устройству доступны те же преимущества, что и коллекторному двигателю, но от надоедливого коллектора мы избавляется.

Однако такие двигатели применяются только в дорогих аппаратах, тогда как простая техника, например соковыжималка или тот же перфоратор будут рентабельнее в производстве, если ставить на них уже классические коллекторные модели двигателей.

Управление двигателем постоянного тока

Принципиальная электрическая схема управления электродвигателями постоянного тока с реверсом

Итак, как вы уже поняли, основной принцип работы двигателя постоянного тока заключается в инвертировании направления тока в якорной цепи, иначе бы возникало торможение, приводящее к стопорению мотора. Таким образом, реализуется вращение мотора в одну сторону, но такой режим не единственный, и двигатель можно заставить вращаться в обратном направлении.

Для этого достаточно поменять направление тока в возбуждающей обмотке, или сменить местами щетки, через которые подается питание на обмотку ротора.

Совет! Если сделать одновременно обе эти манипуляции, то с двигателем ничего не произойдет, и он продолжит вращаться в том же направлении, что и ранее.

Однако это не все моменты, которые требуется регулировать в таком двигателе. Когда вам требуется четко управлять оборотами такого агрегата, или организовать специальный режим управления оборотами, помимо тумблеров и переключателей в схему управления включаются более сложные элементы.

Система управления может быть по-настоящему сложной

  • При этом следует учитывать следующие недостатки коллекторных двигателей: низкий момент на малых оборотах вращения двигателя, из-за чего приборам требуется редуктор, что удорожает и усложняет конструкцию; генерация сильных помех; ну и низкая надежность коллектора, про что мы писали выше.
  • Также в расчет берется то, что потребление тока и скорость вращения вала зависят и от механической нагрузки на валу.
  • Итак, основной параметр, определяющий скорость вращения вала – это подаваемое напряжение на обмотку, поэтому, следуя логике, для управления этим параметром применяются устройства, регулирующие выходное напряжение.

Схемы управления двигателем на базе интегральной микросхемы LM317

  • Такими устройствами являются регулируемые стабилизаторы напряжения. На сегодняшний день целесообразнее использовать дешевые компенсационные интегральные стабилизаторы, типа LM Схема управления с таким устройством показана на схеме выше.

Компактный стабилизатор

  • Схема довольно примитивная, но, кажется, достаточно простой, а главное эффективной и недорогой. Мы видим, что ограничение выходного напряжения регулируется дополнительным резистором, обозначенным как Rlim, расчет сопротивления которого имеется в спецификации. При этом стоит понимать, что он ухудшает характеристику всей схемы, как стабилизатора.
  • Мы видим, что представлено два варианты схемы, какая из них будет показывать себя лучше? Вариант «а» выдает линейную характеристику удобного регулирования, благодаря чему очень популярен.
  • Вариант «б», наоборот», характеристику имеет нелинейную. Фактическая разница будет заметна при выходе из строя переменного резистора: в первом случае мы получим максимальную скорость вращения, а во втором – наоборот, минимальную.

Не будем больше углубляться в дебри, так как статья у нас по большей части ознакомительная. Мы разобрали принципы действия двигателей постоянного тока, а это уже что-то. Если вопрос вас заинтересовал, то обязательно просмотрите следующее видео. А на этом мы прощаемся с вами! Всего хорошего!

Конструкция, принцип действия генераторов постоянного тока — Студопедия

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. Поэтому, устройство генератора постоянного тока, следует рассматривать в классическом варианте.

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 устройства 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 генератора


Генератор постоянного тока, принцип действия которого базируется на электромагнитной силе, 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.

Уже отмечались обратимые процессы генератора постоянного тока. 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, устройство функционирует как электродвигатель.

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


схема, как устроен и как работает, преимущества и недостатки

Когда-то генераторы постоянного тока, преобразующие механическую энергию в электрическую, были единственными источниками электроэнергии. На сегодня чаще всего используются надежные трехфазные преобразователи переменного тока. Но в некоторых отраслях постоянный ток был регулярно востребован, поэтому устройства для выработки последнего неизменно совершенствовались.

Как работает

Функционирование генератора основывается на свойствах, которые следуют из известного закона электромагнитной индукции. Когда замкнутый контур разместить между полюсами магнита (постоянного), то в условиях вращения он будет проходить через магнитный поток. Во время перехода вырабатывается электродвижущая сила, возрастающая при приближении к полюсу. В случае, если присоединить нагрузку, то образуется поток тока. Когда витки рамки будут выходить из области воздействия магнита, то ЭДС будет уменьшаться и достигнет нуля при горизонтальном положении рамки. При дальнейшем вращении противолежащие контурные части изменят магнитную полярность.

Альтернатор постоянного тока

Значения ЭДС в активных обмотках контура вычисляются по формулах: е1= В I v sin wt, е2= — В I v sin wt, где I — длинна одной стороны рамки, В — магнитная индукция, v — скорость вращения (линейная) контура, t — время, wt — угол пересечения магнитного потока рамкой.

Направление тока меняется в период смены полюсов. Поскольку вращение коллектора происходит одновременно с рамой, то электроток на нагрузке имеет одинаковое направление. Такая схема лежит в основе выработки постоянного электричества. Суммарная ЭДС будет иметь следующий вид: е= 2В I v sin wt.

Принцип действия генератора

Такой ток почти непригоден для применения, поскольку присутствуют пульсации ЭДС. Последние надо уменьшать к допустимому уровню. Для этой цели применяют много магнитных полюсов, рамки заменяют якорями, у которых намного больше обмоток и коллекторов. К тому же, соединение обмоток выполняется разными методами.

Якорь

Ротор производится из стали. В пазы на сердечниках укладываются витки провода, которые составляют рабочую обмотку якоря. Проводники соединяют последовательно. Они образуют секции, создающие замкнутую цепь.

Интересно! Для процесса генерации неважно: вращаются обмотки контура или магнит. По этой причине роторы для маломощных альтернаторов изготавливают из постоянных магнитов, а переменный ток выпрямляют при помощи диодных мостов или иными схемами.

Узнать, из чего состоит генератор постоянного тока, поможет картинка 4.

Устройство машины постоянного тока

Установка состоит из главных узлов:

  • неподвижная часть — главные и дополнительные полюса, станина;
  • вращающаяся часть (якорь) — стальной сердечник, коллектор.

В процессе работы установки ток проводится сквозь обмотку и образуется магнитный поток полюсов. Специальные неподвижные щетки (из сплава графита) способствуют объединению обеих частей генератора в единую цепь.

Устройство и принцип действия генератора постоянного тока за долгий период применения остались прежними, несмотря на некоторые совершенствования.

Классификация

Существуют генераторы постоянного тока с независимым возбуждением обмоток, с самовозбуждением. Последние модели используют электричество, которое ими же вырабатывается. По способу объединения обмоток якорей альтернаторы делят на устройства с возбуждением следующих типов:

  • смешанным;
  • параллельным;
  • последовательным.

Схема генератора постоянного тока представлена на картинке 5.

Схемы альтернатора 

С параллельным возбуждением

Чтобы электроприборы работали в нормальном режиме, необходимо стабильное напряжение, которое не зависит от изменений в общей нагрузке. Эта проблема решается методом настройки параметров возбуждения. В таких генераторах катушка подключена (через реостат) параллельно обмотке якоря. Реостат может замыкают обмотку. В противном случае при разъединении цепи возбуждения внезапно повысится ЭДС самоиндукции, что может повредить изоляционный материал. В состоянии непродолжительного замыкания энергия превращается в тепловую, чем предотвращается разрушение устройства.

Электромашины с возбуждением такого вида не требуют внешнего источника питания. Самовозбуждение обмоток происходит под действием остаточного магнетизма в сердечнике магнита. Последние, для улучшения описанного процесса, производят из стали. Самовозбуждение длится до тех пор, пока ток не станет максимальным, а электродвижущая сила не покажет номинальное значение.

Преимущество вышеописанных электрогенераторов в том, что на них почти не влияют электротоки при коротком замыкании.

С независимым возбуждением

Источниками питания для обмоток нередко стают аккумуляторы или же иные устройства. В машинах с малой мощностью применяются постоянные магниты, обеспечивающие присутствие главного магнитного потока. На валу альтернатора располагают микрогенератор (возбудитель), который вырабатывает электроток для возбуждения якорных обмоток. Для этой цели необходимо от 1 до 3 % номинального тока якоря. Изменение электродвижущей силы выполняется регулирующим реостатом.

Достоинство: на возбуждающий ток не имеет воздействия напряжение на зажимах.

С последовательным возбуждением

Последовательными обмотками вырабатывается ток, который равняется электротоку альтернатора. В случае холостого хода отсутствует нагрузка, поэтому возбуждение нулевое. Это обозначает, что регулировочные свойства не существуют.

В агрегате с последовательным возбуждением почти нет тока, если ротор вращается на холостых оборотах. Чтобы запустить возбуждение, требуется подключение нагрузки к зажимам устройства. Явная связанность напряжения с нагрузкой считается огромным минусом последовательных обмоток. Подобные агрегаты используются лишь для питания электрических приборов, у которых нагрузка постоянная.

Со смешанным возбуждением

Самые лучшие свойства собраны в конструкции агрегатов со смешанным возбуждением. Особенность устройств в том, что они состоят из двух катушек:

  • основная — подключена параллельным способом к обмоткам якоря;
  • вспомогательная — подключена последовательным способом.

В цепи основной присутствует реостат, который регулирует ток возбуждения. Процедура самовозбуждения генератора со смешанным типом такая же, как у агрегата с параллельными обмотками (в самовозбуждении не принимает участия последовательная обмотка, так как отсутствует исходный ток). А свойства холостого хода идентичны характеристикам генератору с параллельной обмоткой. Такие особенности разрешают настраивать напряжение на зажимах устройства.

Технические параметры

Работа генератора определяется зависимостью между основными величинами, которые являются его главными характеристиками:

  • отношения между величинами на холостом ходу;
  • внешние параметры;
  • регулировочные значения.

Внешняя характеристика генератора постоянного тока крайне важна, так как раскрывает взаимосвязь напряжения и нагрузки. Она отображена на графике. Согласно последнего наблюдается незначительное уменьшение напряжения, но оно почти не зависит от нагрузочного тока (если сохраняется скорость оборотов двигателя).

Внешняя характеристика ГПТ

В устройствах с параллельным возбуждением больше выражено влияние нагрузки на напряжение. Это объясняется уменьшением тока в обмотках. Чем выше ток нагрузки, тем быстрее будет уменьшаться напряжение на зажимах агрегата.

Свойства ГПТ с параллельным возбуждением

Если увеличить величину тока при последовательном возбуждении, то вырастет ЭДС. Но напряжение не достигнет высокого значения электродвижущей силы, так как часть энергии уйдет на потери от вихревых токов.

Свойства ГПТ с последовательным возбуждением

При достижении напряжением максимального значения и одновременным увеличением нагрузки, первое начинает стремительно снижаться в то время, как кривая электродвижущей силы продолжает подниматься. Это считается большим недостатком, ограничивающим использование генератора такого типа.

В устройствах со смешанным возбуждением предвиденные встречные подключения обеих катушек. Конечная сила при однонаправленном подключении равняется сумме векторов намагничивающих сил, при встречном — их разнице.

При равномерном увеличении нагрузки напряжение на зажимах почти не меняется. Оно будет расти лишь тогда, если число проводов последовательной обмотки превышает число витков, которое соответствует номинальному возбуждению якоря.

Свойства ГПТ со смешанным возбуждением

Генераторы со встречным включением применяются в том случае, если нужно ограничить токи короткого замыкания. К примеру, при подсоединении аппаратов для сварки.

КПД

Важной характеристикой генератора считается его КПД — соотношение полезной и полной мощности: η = P 2 / P1. При холостом ходе такое отношение равно нулю (η=0). При номинальных нагрузках КПД достигнет максимального значения. Мощные агрегаты имеют коэффициент полезного действия около 90 %.

КПД

ЭДС

Электродвижущая сила (ее значение) пропорциональна магнитному потоку, числу проводников (активных) в обмотках, частоте вращения якоря. Если менять последние параметры, то можно легко управлять значением ЭДС. Последнее относится и к напряжению. Нужный результат достигается методом изменения частоты вращения якоря.

Мощность

Выделяют полезную и полную мощности устройства. При постоянной электродвижущей силе полная мощность находится в прямо пропорциональной зависимости от тока: P=EIa. Полезная, которая отдается в цепь, Р1=UI.

Реакция якоря

Если к альтернатору подключить внешнюю нагрузку, то электротоки его обмотки создадут магнитное поле. Тогда возникнет сопротивление полей якоря и статора. Поле будет самым сильным в тех местах, где ротор приближается к магнитным полюсам, очень слабым — в точках максимального удаления. Ротор чувствует магнитное насыщение стальных катушечных сердечников. Сила реакции напрямую зависит от насыщенности в проводах. В результате на пластинках коллекторов будет происходить искрение щеток.

Реакция ротора

Уменьшение реакции достигается при использовании восполняющих магнитных полюсов или передвижением щеток с линии оси.

Где используются

Еще совсем недавно генераторы постоянного тока устанавливались на транспорте для железных дорог. Но сейчас их вытесняют синхронные трехфазные устройства. Переменный ток синхронных агрегатов выпрямляют полупроводниковыми установками. Некоторые новые локомотивы используют асинхронные двигатели, которые работают на переменном токе.

Применение ГПТ

Такие же обстоятельства и с автогенераторами, которые постепенно замещают асинхронными устройствами с дальнейшим выпрямлением.

Сварочный генератор

Стоит заметить, что передвижное оборудование для сварки (имеющие автономное питание) обычно находится в паре с таким генератором. Отдельные отрасли промышленности продолжают применять мощные агрегаты описанного типа.

Схема, особенности, принцип действия и устройство генератора постоянного тока

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

Немного истории

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

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

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

Сила движения электричества

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

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

Что такое электрический генератор?

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

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

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

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

Схема работы элементарного генератора

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

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

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

Принцип действия и устройство генератора постоянного тока

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

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

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

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

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

Типы генераторов, вырабатывающих постоянное электричество

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

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

Принцип работы и устройство генератора из электродвигателя

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

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

Где нашел применение источник постоянного тока?

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

Заключение

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

Генератор постоянного тока

— определение, детали и принцип работы

×

Извините !, эта страница сейчас недоступна для добавления в закладки.

Что такое генератор постоянного тока?

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

  1. Генератор переменного тока

  2. Генератор постоянного тока

Генератор постоянного тока — это тип электрического генератора, который преобразует механическую энергию в электричество постоянного тока. Здесь преобразование энергии основано на принципе создания динамически индуцированной ЭДС. Эти генераторы наиболее подходят для автономных приложений.Генераторы постоянного тока обеспечивают бесперебойную подачу электроэнергии для накопителей электроэнергии и электрических сетей (постоянного тока).

Части генератора постоянного тока

[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 . Статор предназначен для создания магнитного поля в области вращения катушки.

  2. Ротор — Ротор представляет собой многослойный цилиндрический сердечник якоря с пазами.

  3. Сердечник якоря — Сердечник якоря имеет цилиндрическую форму и имеет канавки на внешней поверхности. Эти пазы вмещают в нем обмотку якоря.

  4. Обмотка якоря — это изолированные проводники, помещенные в сердечник якоря. Из-за них происходит фактическое преобразование энергии.

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

  7. Полюса — основная функция полюсов — поддерживать катушки возбуждения. Это увеличивает площадь поперечного сечения магнитной цепи, что приводит к равномерному распределению магнитного потока.

  8. Полюсный башмак — Для защиты катушки возбуждения от падения и увеличения равномерного распределения магнитного потока используется полюсный башмак.Полюсный башмак закреплен на хомуте.

  9. Коммутатор — Коммутатор имеет цилиндрическую форму. Несколько клиновидных жестко вытянутых медных сегментов образуют коммутатор. Функции коммутатора:

Принцип работы генератора постоянного тока

Генератор постоянного тока работает по принципу законов Фарадея электромагнитной индукции. Согласно закону Фарадея, всякий раз, когда проводник находится в флуктуирующем магнитном поле (или когда проводник перемещается в магнитном поле), в проводнике индуцируется ЭДС.Если проводник провести по замкнутому пути, возникнет индуцированный ток. Направление индуцированного тока (определяемое правилом правой руки Флеминга) изменяется по мере изменения направления движения проводника.

[Изображение будет загружено в ближайшее время]

Например, рассмотрим случай, когда якорь вращается по часовой стрелке, а проводник слева движется вверх. Когда якорь завершит половину оборота, направление движения проводника изменится на обратное.Направление тока будет переменным. Когда соединения проводов якоря меняются местами, происходит реверсирование тока. Таким образом, на выводах получаем однонаправленный ток.

Уравнение ЭДС генератора постоянного тока

Уравнение ЭДС для генератора постоянного тока выражается как,

Где,

Например, ЭДС, генерируемая на любом параллельном пути

P- Общее количество полюсов в поле

N- Скорость вращения якоря (об / мин)

Z- Общее количество проводов якоря в поле.

Принцип работы и конструкция генератора постоянного тока

Простейший генератор представляет собой петлю из провода, вращающегося в магнитном поле между полюсами N, и S, , как показано на рис. 4.1. Изменяющаяся во времени переменная ЭДС, индуцированная в контуре, заставляет переменный ток течь через контактные кольца и щетки во внешнюю цепь нагрузки. Такая машина представляет собой генератор переменного тока.

Преобразование переменного тока в постоянный осуществляется с помощью коммутатора с разъемным кольцом.Коммутатор, показанный на рис. 8.1 a

имеет два медных сегмента 4 , подключенных к концам 1 петли. Сегменты коммутатора закреплены на валу якоря и изолированы друг от друга и от вала. Стационарные щетки 2 и 3 , подключенные к внешнему контуру, опираются на коммутатор и скользят по его поверхности.

Когда вал, несущий проволочную петлю и сегменты, начинает вращаться, щетки 2 и 3 поочередно контактируют с каждым сегментом.Щетки зафиксированы в таком положении, что они охватывают промежутки между сегментами в момент, когда ЭДС, индуцированная в контуре, равна нулю. В этом случае, когда якорь вращается, переменная ЭДС, индуцированная в контуре, изменяется синусоидально, если поле однородно, но каждая из щеток контактирует с этим сегментом и, таким образом, с тем концом проводника, который в данный момент имеет под полюсом определенной полярности.

Следовательно, ЭДС на щетках 2 и 3 не меняет знак, и ток течет в одном направлении от щетки 2, через внешнее сопротивление R, и к щетке 3. Но поскольку ЭДС во внешней цепи непостоянна, а изменяется со временем пульсирующим образом, эта волна пульсирующей ЭДС создаст пульсирующий ток.

Если намотать якорь двумя витками проволоки, расположенными под углом 90 относительно друг друга, и соединить концы витков с четырьмя сегментами коммутатора, пульсации ЭДС и тока во внешней цепи станут намного меньше. . При использовании большого количества витков провода вокруг якоря и множества сегментов коммутатора развивается ЭДС, и ток становится плавным и практически постоянным.

Рисунок 8.1b иллюстрирует разрез генератора постоянного тока. Стационарный элемент, статор, служит для создания магнитного поля, а вращающийся элемент, ротор, является якорем, предназначенным для создания ЭДС.

Статор, изображенный на рис. 8.2a, состоит из рамы 3, или ярма, полюсов главного поля 1, и коммутирующих (промежуточных) полюсов поля 2. Главный полюс, показанный на рис. 8.2b, представляет собой электромагнит, производящий магнитный поток.Он состоит из сердечника 4, катушки возбуждения 6, и полюсного наконечника 7.

Стойка крепится к раме 3 болтом 5. Сердечник опоры отлит из стали и имеет овальную форму в поперечном сечении. Катушка возбуждения состоит из множества витков изолированного медного провода, намотанного на сердечник. Катушки всех полюсов соединены последовательно, образуя обмотку возбуждения. Ток, протекающий через обмотку, создает магнитный поток. Полюсный башмак закрепляет катушку возбуждения на сердечнике и обеспечивает равномерное распределение магнитного потока под полюсом .Ей придают такую ​​форму, чтобы воздушный зазор между полюсом и якорем был одинаковым по всей длине полюсной дуги. Коммутирующие полюса или межполюсники также несут катушки на своих сердечниках. Между главными полюсами закрепляются межполюсники; их количество может быть равным или равным половине числа основных полюсов. Они установлены на

мощных станков для устранения искрения на щетках. Машины малой мощности обычно не имеют межполюсников.

Рама отлита из стали и служит механическим каркасом * станка. Он поддерживает основные и коммутационные полюса, закрепленные с внутренней стороны, а также несет на своих торцах концевые рамы или концевые рамы с подшипниками, в которых вращается вал машины. Рама изготовлена ​​на литых ножках для установки станка на опоры.

Якорь, показанный на рис. 8.3а, состоит из сердечника 1 , обмотки 2, и коммутатора 3. Сердечник якоря представляет собой цилиндр, изготовленный из листов электротехнической листовой стали, изолированных друг от друга с помощью диафрагмы или бумаги для уменьшения потерь на вихревые токи. Стальные листы перфорированы по шаблону и снабжены прорезями для проводов обмотки якоря. Вентиляционные каналы сделаны в сердечнике якоря для охлаждения якоря. Обмотка тщательно изолирована от сердечника и закреплена в пазах немагнитными клиньями. Концевые соединения крепятся к опорным кольцам с помощью ленточной проволоки.Все катушки обмотки, установленные на якорь, соединены последовательно, образуя замкнутую цепь, и припаяны к сегментам коммутатора.

Коммутатор представляет собой цилиндр, состоящий из стержней коммутатора, которые представляют собой клиновидные (ласточкин хвост) сегменты жестко вытянутой меди, изолированные друг от друга и от рукава коммутатора тонкими полосками миканита. Каждая штанга коллектора удерживается на месте путем зажима ее части в форме ласточкина хвоста между V-образными выступами на втулке и кольцом, последнее крепится к втулке болтами с головкой под ключ.

Коммутатор — самая сложная деталь с точки зрения конструкции. Кроме того, в некоторых отношениях это самая важная часть машины постоянного тока. Поверхность коллектора должна быть строго цилиндрической, чтобы избежать раскачивания и искрения на щетках.

Щетки, собирающие ток и передающие его во внешнюю цепь, могут быть изготовлены из графита, угольно-графитового и бронзово-графитового типов. В высоковольтных машинах используются графитовые щетки с высоким контактным сопротивлением; низковольтные машины работают с бронзово-графитовыми щетками.На рис. 8.3b показан щеткодержатель. Щетка 4 , вставленная в коробку для щеток, прижимается к поверхности коллектора пружинами 5. Каждый щеткодержатель может содержать несколько щеток, соединенных параллельно.

Держатели щеток имеют отверстия для их крепления на шпильках держателей щеток, которые, в свою очередь, прикреплены к коромыслу щетки и изолированы от него токопроводящими шайбами ​​и втулками. Количество щеткодержателей обычно равно количеству полюсов. Коромысло устанавливается на торцевом щите малой и средней машины или устанавливается на раму большой машины.Коромысло качения можно поворачивать для изменения положения щеток относительно полюсов. Обычно его удерживают в таком положении, чтобы щетки были выровнены с осями полюсов основного поля.

:

Конструкция генератора постоянного тока — объяснение его различных частей

Генератор постоянного тока представляет собой электрическое устройство, преобразующее механическую энергию в электрическую. Он в основном состоит из трех основных частей, т.е.е. система магнитного поля, якорь, коммутатор и щеточный механизм. Другими частями генератора постоянного тока являются магнитная рама и ярмо, полюсный сердечник и полюсные наконечники, катушки возбуждения или возбуждения, сердечник и обмотки якоря, щетки, концевые корпуса, подшипники и валы.

Схема основных частей 4-полюсного генератора постоянного тока или машины постоянного тока показана ниже:

Состав:

Система магнитного поля генератора постоянного тока

Система магнитного поля — это стационарная или неподвижная часть машины.Он производит основной магнитный поток. Система магнитного поля состоит из мэйнфрейма или ярма, полюсного сердечника и полюсных башмаков и катушек возбуждения или возбуждения. Эти различные части генератора постоянного тока подробно описаны ниже.

Магнитная рама и ярмо

Наружная полая цилиндрическая рама, к которой крепятся основные опоры и межполюсные опоры и с помощью которой машина крепится к фундаменту, известна как Хомут. Он изготавливается из стального литья или стального проката для больших машин, а для машин меньшего размера ярмо обычно изготавливается из чугуна.

Два основных назначения ярма следующие: —

  • Он поддерживает сердечники полюсов и обеспечивает механическую защиту внутренних частей машин.
  • Он обеспечивает путь для магнитного потока с низким сопротивлением.

Стойка и башмаки

Полюсный сердечник и полюсные башмаки крепятся к магнитной раме или ярму болтами. Поскольку полюса выступают внутрь, их называют выступающими полюсами. Каждый полюсный сердечник имеет изогнутую поверхность. Обычно сердечник полюса и башмаки изготавливаются из тонких листов литой стали или кованого железа, которые скрепляются друг с другом под действием гидравлического давления.Полюса ламинированы для уменьшения потерь на вихревые токи.

Рисунок, показывающий полюсный сердечник и полюсный башмак, представлен ниже:

Сердечник опор служит для следующих целей:

  • Он поддерживает катушки возбуждения или возбуждения.
  • Они более равномерно распределяют магнитный поток по периферии якоря.
  • Увеличивает площадь поперечного сечения магнитопровода, в результате уменьшается сопротивление магнитного пути.

Катушки возбуждения или возбуждения

Каждый полюсный сердечник имеет одну или несколько катушек возбуждения (обмоток), размещенных над ним для создания магнитного поля. Эмалированный медный провод используется для создания катушек возбуждения или возбуждения. Катушки наматываются на каркас и затем размещаются вокруг полюсного сердечника.

Когда постоянный ток проходит через обмотку возбуждения, он намагничивает полюса, что в свою очередь создает магнитный поток. Катушки возбуждения всех полюсов соединены последовательно таким образом, что при протекании через них тока соседние полюса приобретают противоположную полярность.

Якорь генератора постоянного тока

Вращающаяся часть машины постоянного тока или генератора постоянного тока называется якорем. Якорь состоит из вала, на котором размещен многослойный цилиндр, называемый сердечником Amature.

Сердечник якоря

Сердечник якоря генератора постоянного тока имеет цилиндрическую форму и прикреплен к вращающемуся валу. На внешней периферии якоря имеются пазы или пазы, в которые помещается обмотка якоря, как показано на рисунке ниже:

Сердечник якоря генератора постоянного тока или машины служит для следующих целей.

  • Помещает проводники в пазы.
  • Обеспечивает легкий путь для магнитного потока.

Поскольку якорь представляет собой вращающуюся часть генератора постоянного тока или машины, в сердечнике происходит реверсирование магнитного потока, следовательно, возникают гистерезисные потери. Кремнистая сталь используется в конструкции сердечника для уменьшения потерь на гистерезис.

Вращающийся якорь отсекает магнитное поле, из-за чего в нем наводится ЭДС. Эта ЭДС распространяет вихревой ток, который приводит к потере вихревых токов.Таким образом, для уменьшения потерь сердечник якоря ламинирован штамповкой толщиной примерно от 0,3 до 0,5 мм. Каждый ламинат изолирован от другого слоем лака.

Обмотка якоря

Изолированные жилы вставляются в пазы сердечника якоря. Проводники заклинены, а на сердечник намотаны ленты из стальной проволоки, которые соответствующим образом соединены. Такое расположение проводников называется обмоткой якоря. Обмотка якоря — это сердце машины постоянного тока.

Обмотка якоря — это место, где происходит преобразование мощности. В случае генератора постоянного тока здесь механическая энергия преобразуется в электрическую. В зависимости от соединений обмотки подразделяются на два типа, называемые Lap Winding и Wave Winding.

При намотке внахлест проводники соединяются таким образом, что количество параллельных путей равно количеству полюсов. Таким образом, если машина имеет P полюсов и Z проводников якоря, тогда будет P параллельных путей, каждый путь будет иметь последовательно соединенные Z / P проводники.

При намотке внахлест количество щеток равно количеству параллельных путей. Из них половина кистей положительные, а оставшаяся половина — отрицательные.

В волновой обмотке проводники соединены таким образом, что они разделяются на два параллельных пути независимо от числа полюсов машины. Таким образом, если машина имеет Z проводников якоря, будет только два параллельных пути, каждый из которых имеет последовательно соединенные проводники Z / 2. В этом случае количество щеток равно двум, т.е.е. количество параллельных путей.

Коммутатор в генераторе постоянного тока

Коммутатор, который вращается вместе с якорем, имеет цилиндрическую форму и состоит из ряда жестко вытянутых медных стержней или сегментов клиновидной формы, изолированных друг от друга и от вала. Сегменты образуют кольцо вокруг вала якоря. Каждый сегмент коммутатора подключен к концам катушек якоря.

Это самая важная часть машины постоянного тока, которая служит для следующих целей.

  • Он соединяет вращающиеся проводники якоря со стационарной внешней цепью через щетки.
  • Он преобразует наведенный переменный ток в проводнике якоря в однонаправленный ток в цепи внешней нагрузки при работе генератора постоянного тока, тогда как он преобразует переменный крутящий момент в однонаправленный (непрерывный) крутящий момент, создаваемый в якоре при работе двигателя.

Кисти

Угольные щетки размещаются или устанавливаются на коммутаторе и с помощью двух или более угольных щеток собирают ток с обмотки якоря.Каждая щетка поддерживается в металлическом ящике, называемом щеткодержателем или щеткодержателем . Щетки прижимаются к коммутатору и образуют связующее звено между обмоткой якоря и внешней цепью.

Давление, оказываемое щетками на коммутатор, можно регулировать и поддерживать на постоянном уровне с помощью пружин. С помощью щеток ток, возникающий в обмотках, передается на коммутатор, а затем во внешнюю цепь.

Обычно они изготавливаются из высококачественного углерода, поскольку углерод является проводящим материалом и в то же время в порошкообразной форме оказывает смазывающее действие на поверхность коллектора.

Концевые корпуса

Концевые кожухи прикреплены к концам основной рамы и обеспечивают поддержку подшипников. Передние кожухи поддерживают узлы подшипников и щеток, тогда как задние кожухи обычно поддерживают только подшипники.

Подшипники

Шариковые или роликовые подшипники устанавливаются в концевые корпуса.Подшипники предназначены для уменьшения трения между вращающимися и неподвижными частями машины. Для изготовления подшипников в основном используется высокоуглеродистая сталь, поскольку это очень твердый материал.

Вал

Вал изготовлен из мягкой стали с максимальной прочностью на разрыв. Вал используется для передачи механической энергии от машины или к машине. Вращающиеся части, такие как сердечник якоря, коммутатор, охлаждающие вентиляторы и т. Д., Прикреплены к валу шпонками.

Характеристика

для генераторов постоянного тока — генератор с раздельным возбуждением, самовозбуждение и составной генератор

Характеристика представляет собой график между двумя зависимыми величинами.Он показывает установившуюся характеристику генераторов постоянного тока. Характеристики генераторов постоянного тока объясняют взаимосвязь между нагрузками, возбуждением и напряжением на клеммах через график. Ниже приведены три важные характеристики генератора постоянного тока.

Характеристика намагничивания

Эта характеристика дает изменение генерируемого напряжения или напряжения холостого хода в зависимости от тока возбуждения при постоянной скорости. Это также называется характеристикой холостого хода или разомкнутой цепи.

Внутренняя характеристика

Внутренняя характеристика генератора постоянного тока строит кривую между генерируемым напряжением и током нагрузки.

Внешние характеристики (характеристики нагрузки)

Внешние характеристики или характеристики нагрузки показывают соотношение между напряжением на клеммах и током нагрузки при постоянной скорости.

Состав:

Характеристика генератора постоянного тока с раздельным возбуждением

В генераторе постоянного тока с отдельным возбуждением, отдельный источник постоянного тока подключен к обмотке возбуждения. Этим источником может быть батарея, диодный выпрямитель, другой генератор постоянного тока или управляемый выпрямитель.Принципиальная схема генератора постоянного тока с отдельным возбуждением в нагруженном состоянии показана ниже.

Модель схемы генератора постоянного тока с автономным возбуждением

Пусть генератор приводится в движение первичным двигателем с постоянной скоростью. Возбуждение поля (If) настраивается на номинальное напряжение без нагрузки. В течение всего времени работы это значение напряжения поддерживается постоянным.

Лет,

  • R fw — сопротивление обмотки возбуждения
  • R fc — сопротивление реостата возбуждения для управления током возбуждения.
  • R a — полное сопротивление цепи якоря, включая сопротивление контакта щетки.
  • R L — сопротивление нагрузки.
  • I L — ток нагрузки
  • E a — внутреннее генерируемое напряжение
  • В — напряжение на зажимах
  • I a — ток якоря

Различные уравнения для генератора постоянного тока с отдельным возбуждением следующие:

Если бы не было реакции якоря, генерируемое напряжение V 0 было бы постоянным, как показано прямой линией (красный цвет) на рисунке ниже.

Характеристики клемм генератора постоянного тока с отдельным возбуждением

Из-за реакции якоря возникает падение напряжения на Δ V AR . Внутренняя характеристика (E a ~ I L ) также показана на приведенном выше рисунке, представленной синей цветной линией. На сопротивлении якоря Ra возникает падение напряжения IaRa. Внешняя характеристика генератора (V ~ I L ) также показана розовой линией.

Точка P называется рабочей точкой , которая является пересечением между генератором, внешней характеристикой и характеристикой нагрузки, заданной соотношением V = I L R L .Эта точка P дает рабочие значения напряжения на клеммах и тока нагрузки.

Нарастание напряжения в самовозбужденном генераторе или шунтирующем генераторе постоянного тока

Генератор с самовозбуждением также известен как шунтирующий генератор постоянного тока, так как обмотка возбуждения подключена параллельно якорю. Таким образом, напряжение якоря обеспечивает ток возбуждения. Этот тип генератора обеспечивает собственное возбуждение поля.

Эквивалентная схема шунтирующего генератора постоянного тока показана на рисунке ниже:

Эквивалентная схема шунтирующего генератора постоянного тока

Принимая во внимание приведенный выше рисунок, предположим, что генератор работает без нагрузки, а первичный двигатель приводит в движение якорь с определенной скоростью.Этот генератор будет создавать желаемое напряжение на клеммах. Остаточный магнитный поток, присутствующий в полюсах поля генератора постоянного тока, отвечает за нарастание напряжения. Создается небольшое напряжение Ear, которое определяется уравнением, показанным ниже.

Это напряжение составляет от 1 до 2 вольт. Это напряжение вызывает протекание тока If в обмотке возбуждения генератора. Ток возбуждения задается уравнением.

Поток увеличивается за счет магнитодвижущей силы, создаваемой током поля.В результате этого генерируемое напряжение Ea увеличивается. Это повышенное напряжение якоря увеличивает напряжение на клеммах. С увеличением напряжения на клеммах ток возбуждения If увеличивается еще больше. Это, в свою очередь, увеличивает магнитный поток, и, следовательно, напряжение якоря еще больше увеличивается, а процесс нарастания напряжения продолжается.

Кривая нарастания напряжения шунтирующего генератора постоянного тока показана ниже:

Наращивание напряжения шунтирующего генератора постоянного тока

Генератор работает без нагрузки в процессе роста напряжения, поэтому следующие уравнения, показанные ниже, дают установившийся режим работы.

Т.к. ток возбуждения Если в шунтирующем генераторе очень мало, падением напряжения I f R a можно пренебречь. Таким образом, уравнение (1) принимает следующий вид:

Прямая линия V = I f R f , показанная на рисунке выше, называется линией сопротивления поля .

Повышение напряжения в шунтирующем генераторе постоянного тока для различных сопротивлений цепи показано ниже:

Влияние сопротивления поля на напряжение холостого хода

Уменьшение сопротивления цепи возбуждения уменьшает наклон линии сопротивления поля, что приводит к повышению напряжения.Увеличение сопротивления цепи возбуждения увеличивает наклон линии сопротивления поля, что приводит к снижению напряжения.

Если сопротивление цепи возбуждения увеличивается до критического сопротивления поля (R C ), линия сопротивления поля становится касательной к начальной части кривой намагничивания.

Если значение сопротивления поля превышает критическое значение сопротивления поля, генератор не возбуждается. Кривая, показанная ниже, показывает изменение напряжения холостого хода при фиксированном сопротивлении поля и переменной скорости якоря.

Изменение напряжения холостого хода со скоростью

Кривая намагничивания изменяется в зависимости от скорости, и ее ординаты для любого тока возбуждения пропорциональны скорости генератора. Если сопротивление поля остается постоянным и скорость id уменьшается, все точки на кривой намагничивания опускаются.

При определенной скорости, называемой критической скоростью , линия сопротивления поля становится касательной к кривой намагничивания. Ниже критической скорости напряжение не повышается.

Для повышения напряжения в самовозбуждающемся генераторе постоянного тока должны выполняться следующие условия.

  • В полюсах поля должен быть достаточный остаточный поток.
  • Полевые клеммы должны быть подключены таким образом, чтобы ток возбуждения увеличивал магнитный поток в направлении остаточного потока.
  • Сопротивление цепи возбуждения должно быть меньше критического сопротивления цепи возбуждения.

Если в полюсах возбуждения нет остаточного потока, отключите поле от цепи якоря и подайте напряжение постоянного тока на обмотку возбуждения.

Этот процесс называется Мигает поле .

Вольт-амперная характеристика комбинированного генератора постоянного тока

Вольт-амперная характеристика составных генераторов представлена ​​ниже:

Вольт-амперные характеристики комбинированного генератора постоянного тока

Кумулятивно-составные генераторы могут быть с избыточным составом, с плоским составом и с меньшим составом , в зависимости от количества последовательных витков поля.

Для генератора с избыточным составом напряжение на клеммах полной нагрузки выше, чем напряжение на клеммах без нагрузки. В случае плоского генератора или генератора с комбинированной нагрузкой, напряжение на клеммах при полной нагрузке равно напряжению на клеммах без нагрузки. В составном генераторе с пониженной нагрузкой напряжение на клеммах при полной нагрузке меньше, чем напряжение на клеммах без нагрузки.

В дифференциальных комбинированных генераторах напряжение на клеммах очень быстро падает с увеличением тока якоря.

Принцип работы двигателя постоянного тока

Двигатель постоянного тока — это устройство, которое преобразует постоянный ток в механическую работу. Он работает по принципу закона Лоренца, который гласит, что « проводник с током, помещенный в магнитное и электрическое поле, испытывает силу ». Опытная сила называется силой Лоренца. Правило левой руки Флемминга определяет направление силы.

Правило Флеминга для левой руки

Если большой, средний и указательный пальцы левой руки смещены друг относительно друга на угол 90 °, средний палец представляет направление магнитного поля.Указательный палец показывает направление тока, а большой палец показывает направление сил, действующих на проводник.

Формула рассчитывает величину силы,

Прежде чем понять принцип работы двигателя постоянного тока, мы должны сначала узнать о его конструкции. Якорь и статор — две основные части двигателя постоянного тока. Якорь — это вращающаяся часть, а статор — их неподвижная часть. Катушка якоря подключена к источнику постоянного тока.

Катушка якоря состоит из коммутаторов и щеток. Коммутаторы преобразуют переменный ток, индуцированный в якоре, в постоянный, а щетки передают ток от вращающейся части двигателя к неподвижной внешней нагрузке. Якорь размещается между северным и южным полюсами постоянного или электромагнита.

Для простоты предположим, что якорь имеет только одну катушку, которая расположена между магнитным полем, показанным ниже на рисунке A.Когда на катушку якоря подается постоянный ток, через нее начинает течь ток. Этот ток создает вокруг катушки собственное поле.

На рисунке B показано поле, индуцируемое вокруг катушки:

В результате взаимодействия полей (создаваемых катушкой и магнитом) результирующее поле развивается поперек проводника. Результирующее поле стремится вернуться в исходное положение, то есть на оси основного поля. Поле оказывает силу на концах проводника, и катушка начинает вращаться.

Пусть поле, создаваемое основным полем, будет F m , и это поле вращается по часовой стрелке. Когда в катушке течет ток, они создают собственное магнитное поле, скажем, F r . Поле F r пытается приблизиться к основному полю. Тем самым крутящий момент действует на катушку якоря.

Настоящий двигатель постоянного тока состоит из большого количества катушек якоря. Скорость двигателя прямо пропорциональна количеству катушек, используемых в двигателе. Эти катушки удерживаются под воздействием магнитного поля.

Один конец проводов находится под влиянием северного полюса, а другой конец — под влиянием южного полюса. Ток входит в катушку якоря через северный полюс и движется наружу через южный полюс.

Когда катушка перемещается от одной щетки к другой, одновременно меняется и полярность катушки. Таким образом, направление силы или крутящего момента, действующего на катушку, остается неизменным.

Вращающий момент, создаваемый в катушке, становится нулевым, когда катушка якоря перпендикулярна основному полю. Нулевой крутящий момент означает, что двигатель перестает вращаться. Для решения этой проблемы в роторе используется номер обмотки якоря. Таким образом, если одна из их катушек перпендикулярна полю, то другие катушки создают крутящий момент. И ротор движется непрерывно.

Кроме того, для получения постоянного крутящего момента устройство выдерживается таким образом, что всякий раз, когда катушки пересекают магнитную нейтральную ось магнита, направление тока в катушках меняет направление на обратное.Это можно сделать с помощью коммутатора.

PPT — Презентация PowerPoint по генератору постоянного тока, скачать бесплатно

  • Генератор постоянного тока Автор: — ДХАРМЕШ Н. ДЕВАНИ ДНДЕВАНИ (ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ)

  • Классификация ДНДЕВАНИ (ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ)

  • DC ДНДЕВАНИ (ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ)

  • ДНДЕВАНИ (ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ)

  • Д.N.DEVANI (ELECTRICAL)

  • Объясните принцип работы генератора постоянного тока DNDEVANI (ELECTRICAL)

  • ПРИНЦИП ГЕНЕРАТОРА ПОСТОЯННОГО ТОКА • Преобразование энергии в генераторе • основано на принципе динамического производства индуцированная • ЭДС. • Когда проводник перерезает магнитный • поток, в нем создается динамически индуцированная ЭДС в соответствии с • Законом электромагнитной индукции Фарадея. • Эта ЭДС вызывает протекание тока, если • цепь проводника замкнута.• Блок-схема представлена ​​на рисунке. Д.Н. ДЕВАНИ (ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ)

  • ПРАВИЛО ПРАВОЙ РУКИ ФЛЕМИНГА • Направление наведенной ЭДС в проводнике определяется правилом правой руки Флеминга. • Держите первые два пальца и большой палец перпендикулярно друг другу. • Первый палец указывает направление магнитного потока, большой палец указывает направление движения, чем индуцированная ЭДС указывается вторым пальцем. B = Маг. Плотность потока L = длина проводника V = скорость θ = угол между линией магнитного потока и проводником D.Н.ДЕВАНИ (ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ)

  • Объясните действие коммутатора или объясните необходимость коммутатора ДНДЕВАНИ (ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ)

  • ДНДЕВАНИ (ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ)

    0 ДНДЕВАНИ (ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ)

  • 4 ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ КОЛЛЕКТОР

  • 4 ЭЛЕКТРОПРОВОДНИК
  • Объясните конструкцию машины постоянного тока ДНДЕВАНИ (ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ)

  • КОНСТРУКЦИЯ МАШИНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА ДНДЕВАНИ (ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ)

  • Силиконовые полюса и полевые обмотки для уменьшения потерь стальных опор метров • .• Он также ламинирован для уменьшения потерь на вихревые токи. • Полюсные башмаки распространяют магнитное поле. • Столбы прикручены к ярму. • Обеспечивает поддержку обмотки возбуждения. Д.Н. ДЕВАНИ (ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ)

  • ПОЛЮСНАЯ И ПОЛЕВАЯ ОБМОТКА • Обмотка возбуждения выполнена медным проводником. • Обмотка возбуждения нарезана на картере, а затем вокруг полюса размещается каркас. • Когда обмотка возбуждения возбуждается источником постоянного тока, она создает магнитный поток. Д.Н. ДЕВАНИ (ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ)

  • ХОМУ • В малых станках • изготавливается из чугуна • из-за дешевизны.• В больших машинах он • изготавливается из искусственного • коня из-за его высокой • проницаемости. • Обеспечивает опору для шеста. • Обеспечивает защиту • внутренних частей от • внешних повреждений. • Обеспечивает обратный путь • магнитному потоку. Д.Н. ДЕВАНИ (ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ)

  • АРМАТУРА • Изготовлен из ламинированного чугуна для уменьшения • потерь в стали. • Сердечник якоря — цилиндрического • барабанного типа. • На поверхности якоря сделаны пазы.• Эти прорези параллельны валу. • В эти пазы помещаются проводники якоря. • Отверстия для воздуха предназначены для • циркуляции воздуха для охлаждения. • Якорь обеспечивает размещение • обмотки якоря. Д.Н.ДЕВАНИ (ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ)

  • АРМАТУРА Д.Н.ДЕВАНИ (ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ)

  • ОБМОТКА АРМАТУРЫ • Обмотка якоря выполнена медным проводом и изолирована. • Прорези сердечника якоря удерживают эти изолированные проводники, которые подключены соответствующим образом.• Это обмотка, в которой «рабочая» ЭДС. индуцируется. • Провода якоря соединены последовательно-параллельно. • Проводники подключаются последовательно для увеличения напряжения, а параллельно — для увеличения тока. • После размещения обмотки якоря каждое гнездо закрывается бамбуковой планкой. Д.Н. ДЕВАНИ (ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ)

  • КОММУТАТОР • Коммутатор преобразует переменное • напряжение в постоянное. • Коммутатор представляет собой цилиндрическую конструкцию, • состоящую из сегментов из жестко вытянутой • меди.• Эти сегменты отделены друг от друга • и от рамки с помощью полосок слюды. • Эти сегменты подключаются к обмотке с помощью стояков. • У стояков есть воздушные промежутки между • другим или воздух проходит через • коллектор за счет • охлаждения коллектора. Д.Н. ДЕВАНИ (ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ)

  • ПОЛОЖЕНИЕ КОММУТАТОРА Д.Н. ДЕВАНИ (ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ)

  • Д.Н.ДЕВАНИ (ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ)

  • ДНДЕВАНИ (ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ)

  • ДНДЕВАНИ (ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ)

  • ДНДЕВАНИ (ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ 9168 9168

  • ЩЕТКИ • Щетки обычно изготавливаются из угля или графита.• Функция состоит в том, чтобы собирать • ток от коммутатора, • Щетки имеют форму • прямоугольного блока. • Эти щетки помещаются в • щеткодержатели, обычно • коробчатого типа. Д.Н. ДЕВАНИ (ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ)

  • Д.Н. ДЕВАНИ (ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ)

  • КОНСТРУКЦИЯ МАШИНЫ D.N.DEVANI (ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ)

  • ОБМОТКА АРМАТУРЫ • Шаг полюсов (YP) = количество проводов на полюс. • Передний шаг (YF) = количество проводов между двумя проводниками, подключенных к одному коммутатору. • Задний шаг (YB) = количество проводов между двумя проводниками любой катушки. • Результирующий шаг (YR) = количество проводов между первым проводником первой катушки и первым проводником второй катушки. • Шаг коммутатора (YC) = количество сегментов коммутатора между двумя сегментами, к которым подключены два проводника одной катушки.Д.Н. ДЕВАНИ (ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ)

  • ВИДЫ ОБМОТКИ АРМАТУРЫ Д.Н. ДЕВАНИ (ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ)

  • E.M.F. УРАВНЕНИЕ ДНДЕВАНИ (ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ)

  • ТИПЫ ГЕНЕРАТОРА ПОСТОЯННОГО ТОКА ДНЕВАНИ (ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ)

  • ГЕНЕРАТОР С ОТДЕЛЬНЫМ ВОЗБУЖДЕНИЕМ НАГРУЗКА НАПР. ДНДЕВАНИ (ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ)

  • ГЕНЕРАТОР СЕРИИ САМОВЫЗБУЖДАЕМЫЙ НАГРУЗКА Например, D.N.DEVANI (ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ)

  • САМВозбужденный СОЕДИНЕНИЕ ГЕНЕРА. ДНДЕВАНИ (ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ)

  • АРМАТУРНАЯ РЕАКЦИЯ ДНДЕВАНИ (ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ)

  • КОМПЕНСАЦИОННАЯ ОБМОТКА ДНДЕВАНИ (ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ)

  • NDEVANI (ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ)

    NDVANI
  • NDEVANI

    ХАРАКТЕРИСТИКА SHUNT GENERATOR DNDEVANI (ELECTRICAL)

  • ХАРАКТЕРИСТИКА ГЕНЕРАТОР СЕРИИ D.N.DEVANI (ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ)

  • ХАРАКТЕРИСТИКА КОМПОНЕНТНЫЙ ГЕНЕРАТОР DNDEVANI (ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ)

  • РЕГУЛИРОВАНИЕ НАПРЯЖЕНИЯ • Изменение напряжения на клеммах генератора между полной и нулевой нагрузкой (при постоянной скорости) регулирование напряжения. Где, VNL = Напряжение на клеммах генератора без нагрузки VFL = Напряжение на клеммах генератора при полной нагрузке DNDEVANI (ELECTRICAL)

  • ПРИЧИНА ОТСУТСТВИЯ НАСТРОЙКИ НАПРЯЖЕНИЯ • Отсутствие остаточного магнитного поля • Реверс подключения поля • Реверс вращения • Сопротивление нагрузки последовательного двигателя превышает критическое.• В шунтирующем двигателе сопротивление поля шунта I больше критического сопротивления. ДНДЕВАНИ (ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ)

  • ОБЪЯСНЕНИЕ ПОТЕРИ В МАШИНЕ ПОСТОЯННОГО ТОКА ДНДЕВАНИ (ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ)

  • ПОТЕРИ ДНДЕВАНИ (ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ потери)

  • Потери якоря = 9016 I COPa Ток Ra = Сопротивление якоря • Потери в шунтирующем поле cu = Ish²Rsh Ish = Ток шунтирующего поля Rsh = Сопротивление шунтирующего поля • Потери в последовательном поле cu = Ise²Rse Ise = Ток последовательного поля Rse = Сопротивление последовательного поля D.

  • Leave a Reply

    Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

    2019 © Все права защищены.