Генератор постоянного тока: устройство, принцип работы, классификация

Вопросы и ответы

Устройство и принцип работы

Работа генератора основана на принципе, вытекающем из закона электромагнитной индукции. Если замкнутую цепь поместить между полюсами постоянного магнита, то при вращении она будет пересекать магнитный поток (см рис. 1).

По закону электромагнитной индукции в момент пересечения индуцируется ЭДС. Электродвижущая сила увеличивается по мере приближения проводника к полюсу магнита. Если к коллектору подключить нагрузку R (два желтых полукольца на рисунке), по образовавшейся электрической цепи потечет ток.

Принцип работы генератора постоянного тока
Рис. 1. Принцип работы генератора постоянного тока

Когда катушки рамки покидают зону действия магнитного потока, ЭДС ослабевает и приобретает нулевое значение в момент, когда рамка расположена горизонтально. Продолжая вращать контур, его противоположные стороны меняют магнитную полярность: часть рамки, бывшая ниже северного полюса, занимает положение над южным магнитным полюсом.

Значения ЭДС в каждой активной обмотке цепи определяются по формуле: e1 = Blvsinwt; e2 = -Blvsinwt; , где B — магнитная индукция, l — длина стороны рамки, v — линейная скорость вращения контура, t — время, wt — угол, под которым рамка пересекает магнитный поток.

смена полюсов меняет направление тока. Но из-за того, что коллектор вращается синхронно с рамой, ток на нагрузке всегда направлен в одну сторону. Это означает, что рассматриваемая модель вырабатывает постоянную электроэнергию. Результирующая ЭДС имеет вид: e = 2Blvsinwt, что означает, что изменение ее подчиняется синусоидальному закону.

Строго говоря, такая конструкция лишь обеспечивает полярность неподвижных щеток, но не устраняет пульсации ЭДС. Поэтому график генерируемого тока имеет вид, показанный на рис.2.

График тока, генерируемого примитивным генератором
Рис. 2. График тока, вырабатываемого примитивным генератором

Такой ток, за исключением редких случаев, не пригоден для использования. Необходимо сгладить пульсации до приемлемого уровня.

Для этого число полюсов постоянных магнитов увеличено, а вместо простого каркаса используется более сложная конструкция — якорь, с большим количеством обмоток и соответствующим количеством пластин коллектора (см рис. 3) . Кроме того, обмотки соединяются по-разному, о чем будет сказано ниже.

Ротор генератора
Рис. 3. Ротор генератора

Анкер изготовлен из листовой стали. На сердечниках якоря имеются канавки, в которых размещено несколько витков провода, образующих рабочую обмотку ротора. Проводники в дорожках соединены последовательно и образуют катушки (секции), которые в свою очередь создают замкнутую цепь через коллекторные пластины.

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

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

Конструкция двигателя (он же генератор) понятна из рис. 4. Неподвижный статор состоит из двух полюсных сердечников, состоящих из ферримагнитных пластин, и последовательно соединенных обмоток возбуждения. Кисти располагаются в линию друг напротив друга. Для охлаждения обмоток используется вентилятор.

Двигатель постоянного тока
Рис. 4. Двигатель постоянного тока

Корпус

Корпус содержит все основные элементы генератора. Состоит из двух крышек (передней и задней). Крышки скреплены болтами. Для производства крышек используются легкие алюминиевые сплавы, которые не намагничиваются и хорошо рассеивают тепло. Крышки имеют вентиляционные отверстия и монтажные фланцы.

В задней крышке установлен диодный мост и щеткодержатель со щетками. Также в задней крышке находится выходной разъем, через который протекает ток через генератор.

Привод

Вращение от коленчатого вала передается диску генератора и вращает ротор. Скорость шкива в 2-3 раза выше скорости коленчатого вала. Крутящий момент от двигателя передается через ременную передачу. В зависимости от конструкции могут использоваться поликлиновые и клиновые ремни. Поликлиновой ремень считается более универсальным и современным.

Ротор

На валу ротора находится обмотка возбуждения, которая создает магнитное поле и фактически представляет собой обычный электромагнит. Обмотка размещена между двумя половинками полюсов (сердечниками), которые необходимы для регулирования и контроля магнитного поля. Каждая из половинок имеет шесть треугольных выступов, называемых клювами.

На валу ротора также есть два медных шлифовальных кольца. Иногда их изготавливают из стали или латуни. Через контактные кольца обмотка возбуждения получает питание от аккумулятора. Контакты обмотки припаяны к кольцам.

картинка 3
Ротор генератора

На переднем конце вала ротора находится ведущий шкив, а на другом конце крепится крыльчатка вентилятора. Это может быть два. Они необходимы для охлаждения внутренних частей генератора. Кроме того, на обоих концах ротора установлены необслуживаемые шарикоподшипники.

Статор

картинка 4
Статор

Конструктивно статор имеет форму кольца. Это основная часть, которая служит для создания переменного тока из магнитного поля ротора. Состоит из обмотки и сердечника. В свою очередь сердечник состоит из соединенных между собой стальных пластин, где образовано 36 канавок. В пазы намотаны три обмотки, которые образуют трехфазное соединение.

Схем соединения обмоток может быть две: «звезда» и «треугольник». По схеме «звезда» концы каждой из трех обмоток соединяются в одной точке. По схеме «треугольник» концы обмоток выдаются отдельно.

Выпрямительный блок или диодный мост

Выпрямительный блок выполняет задачу по преобразованию переменного тока генератора в постоянный ток, необходимый для питания бортовой сети автомобиля. Другими словами, он выдает стабильное и ровное напряжение.

картинка 5
Диодный мост

Блок, также называемый диодным мостом, состоит из двух пластин-радиаторов (положительной и отрицательной) и диодов. На каждую фазу по два диода. Сами диоды герметично запаяны в пластины. Диодный мост имеет форму подковы.

С обмотки статора ток поступает на диодный мост, затем «выпрямляется» и подается на выходной контакт на задней крышке.

Ток протекает через диоды только в одном направлении, а токи противоположной полярности отсекаются. Диодный мост можно разместить в корпусе генератора, а можно вынуть из корпуса. Но чаще всего он крепится на внутренней стороне задней крышки.

Регулятор напряжения

Регулятор удерживает напряжение генератора в определенных пределах. В современных моделях используются электронные полупроводниковые стабилизаторы напряжения. Они устанавливаются поверх блока щеткодержателя.

картинка 6
Регулятор напряжения и щеточный узел

При работе двигателя на высоких оборотах напряжение на обмотке статора может достигать 16В. Такое напряжение нельзя подавать в бортовую сеть. Для устранения этого регулятор напряжения, получающий питание от аккумулятора, уменьшит его значение.

Небольшой ток на обмотке ротора создаст такое же небольшое магнитное поле. Это означает, что напряжение на обмотке статора уменьшится.

Щеточный узел

Щеточный узел в современных генераторах объединен с регулятором напряжения в неразборный механизм. Он передает ток возбуждения на медные шлифовальные кольца на роторе. Это простая конструкция, состоящая из щеткодержателя, двух графитовых щеток и пружин сжатия.

Электродвижущая сила генератора

В двухполюсной машине всегда имеется пара параллельных ветвей обмотки якоря, поэтому среднее значение ЭДС в обмотке якоря равно значению Е в этой формуле Источник m-strana.ru

В разделе «Принцип работы генераторов постоянного тока» вы видели схемы генератора постоянного тока, а теперь поговорим об ЭДС или электродвижущей силе (ЭДС), которая лежит в основе этого устройства, и разберем его в действии. Представим, что магнитное поле (магнитное поле) имеет магнитный поток (магнитный поток), равный величине Ф, при этом якорь вращается с постоянной скоростью n об/мин.

В генераторе на поверхности якоря имеются дополнительные проводники, пересекающие магнитный поток при вращении и их количество равно z.

Среднее значение наведенной ЭДС в генераторе прямо пропорционально величине магнитного потока Φ, числу оборотов якоря n в минуту и ​​числу z активных проводников якоря Источник m-strana.ru

Так, в современном варианте блока генератора постоянного тока предусмотрены дополнительные проводники в виде катушек, количество которых напрямую влияет на ЭДС индукции. В этом случае полную мощность такого устройства можно определить по формуле P=EIa.

Здесь величина Ia обозначает величину полного тока на обмотке якоря, и если ЭДС постоянна, то полная электрическая мощность всегда будет пропорциональна EIa. Эта сила может быть больше или меньше в зависимости от скорости вращения ротора и количества полюсов.

Кроме того, имеется полезная мощность (полезная мощность) Р1, измеряемая в ваттах, отдаваемая во внешнюю цепь, и она равна Р1 = UI, где буква U означает напряжение в вольтах, а буква I означает ток (в амперах).

Для определения промышленного КПД (обозначаемого как ɳm), вырабатываемого генераторами постоянного тока, нужно определить соотношение между полной мощностью и полезной мощностью по формуле ɳm = P1/P – так вы узнаете промышленный коэффициент.

Читайте также: Аккумуляторы для солнечных батарей: гелевые, свинцово-кислотные и др

Немного о строении генератора

Как и подавляющее большинство других электротехнических устройств, генератор постоянного тока включает в свой состав статор и ротор (якорь) Источник strojdvor.ru

Любая конструкция генераторов постоянного тока предполагает наличие статора и ротора (якоря). Роторы изготавливаются на заводах электроаппаратуры, и представляют собой стержни (валы) с металлическими пластинами (сталь), в которых есть углубления для обмоток, а концы обмоток обязательно будут колебаться с медным коллектором.

Коллектор представляет собой набор медных пластин, изолированных друг от друга диэлектриком. Этот узел в целом называется якорем.

Статор в электродвигателе генераторов постоянного тока, помимо своего прямого назначения, играет роль корпуса, а к поверхности изнутри крепятся постоянные или электрические магниты, где наиболее популярен второй вариант. Сердечники таких магнитов набираются из стальных пластин или могут быть отлиты вместе со статором. На корпусе статора должны быть отверстия, куда вставляются токосъемные щетки.

Классификация

Существует два типа генераторов постоянного тока:

  • с независимым обмоткным возбуждением;
  • с самовозбуждением.

Для самовозбуждения генераторов используется электроэнергия, вырабатываемая самим агрегатом. По принципу соединения обмоток якоря генераторы с автовозбуждением делятся на типы:

  • устройства с параллельным возбуждением;
  • динамо-машины с последовательным возбуждением;
  • агрегаты смешанного типа (составные генераторы).

Рассмотрим подробнее особенности каждого вида соединения обмоток якоря.

С параллельным возбуждением

Для обеспечения нормальной работы электроприборов необходимо стабильное напряжение на зажимах генераторов, не зависящее от изменения общей нагрузки. Проблема решается регулировкой параметров возбуждения. В динамо-машинах с параллельным намагничиванием выводы катушки подключаются через регулировочный реостат параллельно обмотке якоря.

Реостаты возбуждения могут замыкать обмотку «на себя». Если этого не сделать, в обмотке при разрыве цепи возбуждения резко возрастет ЭДС самоиндукции, что может привести к пробою изоляции. В состоянии короткого замыкания энергия рассеивается в виде тепла, что предотвращает разрушение генератора.

Электрические машины с параллельным намагничиванием не нуждаются во внешнем источнике питания. Из-за наличия остаточного магнетизма, который всегда присутствует в сердечнике электромагнита, происходит самовозбуждение параллельных обмоток. Для увеличения остаточного магнетизма в катушках возбуждения сердечники электромагнитов выполнены из литой стали.

Процесс самовозбуждения продолжается до того момента, пока ток не достигнет своего предельного значения, а ЭДС не достигнет номинальных значений при оптимальных скоростях вращения якоря.

Преимущество: генераторы с параллельным намагничиванием мало подвержены влиянию токов короткого замыкания.

С независимым возбуждением

В качестве источника питания для обмоток возбуждения часто используются батареи или другие внешние устройства. В моделях маломощных машин используются постоянные магниты, обеспечивающие наличие основного магнитного потока.

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

Преимущество независимого намагничивания состоит в том, что на ток намагничивания не влияет напряжение на клеммах. И это придает хорошие внешние свойства динамо.

С последовательным возбуждением

Последовательные обмотки производят ток, равный току генератора. Так как на холостом ходу нагрузка равна нулю, возбуждение равно нулю. Это значит, что характеристику холостого хода убрать нельзя, то есть нет никаких регулировочных характеристик.

В генераторах с последовательным возбуждением ток при вращении ротора на холостом ходу практически отсутствует. Для запуска процесса возбуждения необходимо подключить к клеммам генератора внешнюю нагрузку.

Столь ярко выраженная зависимость напряжения от нагрузки является недостатком последовательных обмоток. Такие устройства можно использовать только для привода электроприборов с постоянной нагрузкой.

Со смешанным возбуждением

Полезные черты сочетают в себе конструкции генераторов смешанного возбуждения. Их функции: устройства имеют две катушки — основную, включенную параллельно обмоткам якоря, и дополнительную, включенную последовательно. В цепь параллельной обмотки включен реостат, которым регулируется ток возбуждения.

Процесс самовозбуждения динамо-машины смешанного возбуждения подобен процессу самовозбуждения генератора с параллельными обмотками (из-за отсутствия пускового тока последовательная обмотка в самовозбуждении не участвует). Характеристика холостого хода такая же, как у генератора с параллельной обмоткой. Это позволяет регулировать напряжение на клеммах генератора.

Смешанное возбуждение выравнивает пульсации напряжения при номинальной нагрузке. В этом главное преимущество таких генераторов перед генераторами других типов. Недостатком является сложность конструкции, что приводит к удорожанию этих устройств. Не терпят такие генераторы и короткие замыкания.

Технические характеристики генератора постоянного тока

Работа генератора характеризуется зависимостями между основными величинами, которые называются его характеристиками. К основным характеристикам относятся:

  • зависимости между значениями на холостом ходу;
  • свойства внешних параметров;
  • значения регулировки.

В разделе «Классификация» мы частично раскрыли некоторые свойства тюнинга и холостые зависимости. Кратко остановимся на внешних характеристиках, соответствующих работе генератора в номинальном режиме. Внешняя характеристика очень важна, так как показывает зависимость напряжения от нагрузки, и снимается при стабильной скорости якоря.

Внешняя характеристика генератора постоянного тока с независимым возбуждением выглядит следующим образом: это кривая, зависимость напряжения от нагрузки (см рис. 5). Как видно из графика, наблюдается падение напряжения, но оно не сильно зависит от тока нагрузки (при этом сохраняется скорость вращения двигателя, вращающего якорь).

Внешние характеристики GPT
Рис. 5. Внешние характеристики ТШП

В генераторах с параллельным возбуждением зависимость напряжения от нагрузки более выражена (см рис. 6). Это связано с падением тока возбуждения в обмотках. Чем выше ток нагрузки, тем быстрее будет падать напряжение на клеммах генератора.

В частности, при постепенном снижении сопротивления до уровня короткого замыкания напряжение будет падать до нуля. А вот резкое короткое замыкание в цепи вызывает люфт в генераторе и может быть фатальным для электрической машины такого типа.

Характеристики ТВД с параллельным возбуждением
Рис. 6. Характеристики ТВД с параллельным возбуждением

Увеличение тока нагрузки при последовательном возбуждении приводит к увеличению ЭДС. (см верхнюю кривую на рис. 7). Однако напряжение (нижняя кривая) отстает от ЭДС, так как часть энергии тратится на электрические потери от присутствующих вихревых токов.

Внешняя характеристика генератора с последовательным возбуждением
Рис. 7. Внешняя характеристика генератора с последовательным возбуждением

Обратите внимание, что когда оно достигает своего максимума, напряжение при увеличении нагрузки начинает резко падать, хотя кривая ЭДС продолжает иметь восходящий тренд. Такое поведение является недостатком, который ограничивает использование этого типа генератора переменного тока.

В генераторах со смешанным возбуждением предусмотрены встречные соединения обеих катушек — последовательной и параллельной. Результирующая намагничивающая сила при согласном включении равна векторной сумме намагничивающих сил этих обмоток, а при обратном — разности этих сил.

В процессе устойчивого увеличения нагрузки от момента холостого хода до номинального уровня напряжение на зажимах будет практически постоянным (кривая 2 на рис. 8). Увеличение напряжения наблюдается, если число проводников в последовательной обмотке превышает число витков, соответствующее номинальному возбуждению якоря (кривая 1).

Изменение напряжения для случая меньшего числа витков в последовательной обмотке показано кривой 3. Обратное соединение обмоток показано кривой 4.

Внешняя характеристика ГПТ со смешанным возбуждением
Рис. 8. Внешние характеристики ГПТ со смешанным возбуждением

Встречно-параллельные генераторы используются, когда необходимо ограничить токи короткого замыкания, например, при подключении сварочных аппаратов.

В нормально возбуждаемых смешанных устройствах ток возбуждения постоянен и практически не зависит от нагрузки.

Реакция якоря

При подключении к генератору внешней нагрузки токи в его обмотке образуют собственное магнитное поле. Возникает магнитное сопротивление полей статора и ротора. Результирующее поле сильнее в точках, где якорь упирается в полюса магнита, и слабее там, где убегает от них.

Другими словами, якорь реагирует на магнитное насыщение стали в сердечниках катушек. Интенсивность реакции якоря зависит от насыщения магнитопроводов. Результатом этой реакции являются искры от щеток на пластинах коллектора.

Реакцию якоря можно уменьшить, используя компенсирующие дополнительные магнитные полюса или сместив щетки от центральной линии к геометрической нейтрали.

ЭДС

Среднее значение ЭДС пропорционально магнитному потоку, количеству активных проводников в обмотках и частоте вращения якоря. Увеличивая или уменьшая эти параметры, можно управлять величиной ЭДС, а значит, и напряжением. Самый простой способ добиться желаемого результата — отрегулировать скорость якоря.

Мощность

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

КПД

Важной характеристикой генератора переменного тока является его КПД — отношение полезной мощности к полной. Обозначим эту величину символом ηe. Тогда: ηe=P1/P.

На холостом ходу ηe = 0. Максимальный КПД при номинальной нагрузке. КПД мощных генераторов приближается к 90%.

Применение

До недавнего времени использование тяговых генераторов постоянного тока на железнодорожном транспорте не вызывало сомнений. Однако процесс замены этих генераторов на трехфазные синхронные агрегаты уже начался. Переменный ток, синхронная динамо-машина выпрямляется с помощью выпрямительных полупроводниковых установок.

Некоторые российские локомотивы нового поколения уже используют асинхронные двигатели, работающие на переменном токе.

Аналогичная ситуация наблюдалась и с автомобильными генераторами. Генераторы постоянного тока заменяются асинхронными генераторами с последующим выпрямлением.

Пожалуй, только мобильные самоходные сварочные аппараты всегда работают в паре с генераторами постоянного тока. Некоторые отрасли промышленности не отказались от использования мощных генераторов постоянного тока.

Оцените статью
Блог об электричестве
Adblock
detector