Принцип работы генератора постоянного тока

Генераторы постоянного тока

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Рис. 3. Простейший генератор постоянного тока

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

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

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

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

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

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

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

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

Конструкция генераторов постоянного тока

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Рис. 7. Устройство машины постоянного тока якоря барабанного типа

Рис. 8. Простейшая обмотка

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

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

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

Классификация и параметры генераторов постоянного тока

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

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

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

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

Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика

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

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

Неисправности электрооборудования и способы их устранения — Принцип действия генератора и двигателя постоянного тока

На рисунке 36 показана модель генератора постоянного тока. Если вращать якорь модели по направлению стрелки в системе полюсов N и S, то в активных сторонах витка 1— 1 и 2—2 будут индуктироваться переменные э. д. с.—е1 и е2. Направления индуктированных э. д. с. можно определить по правилу правой руки — эти направления показаны на рисунке стрелками. Щетки А и В неподвижны в пространстве, причем щетка А всегда соединена через полукольцо с активной частью проводника, находящегося в зоне северного полюса N, а щетка В — с активной ч 1стью проводника, находящегося в зоне южного полюса S. Таким образом, переменная э. д. с., индуктированная в витке, выпрямляется при помощи простейшего коллектора, состоящего из двух полуколец и щеток А и В. На щетках А и В мы получаем постоянную по направлению э. д. с., но пульсирующую с течением времени. Если к щеткам А и В подключить нагрузку R, то в цепи появится пульсирующий ток i. В действительной машине постоянного тока величина пульсаций тока практически сводится к нулю благодаря большому числу коллекторных пластин в коллекторе и большому числу витков на якоре, сдвинутых один относительно другого.
В реальных машинах постоянного тока магнитный поток создается током, протекающим по обмоткам главных (основных) полюсов. Якорь генератора приводится во вращение каким-либо приводным двигателем. Э. д. с., индуктируемая в обмотке якоря, может быть определена по формуле, В,
(55)
где р — число пар полюсов машины;
а — число пар параллельных ветвей обмотки якоря; N—число эффективных проводников на якоре; п—частота вращения якоря, об/мин;
Ф—основной магнитный поток машины, В-с.
Обозначив постоянные величины через Се, получим:
(56)
где— постоянная э. д. с.
При подключении нагрузки по обмотке якоря потечет ток, который создает тормозной момент. Тормозной момент генератора преодолевается двигателем, вращающим якорь генератора. Тормозной электромагнитный момент генератора может быть определен по формуле, Н • м,

Принцип работы двигателя постоянного тока

На рисунке 37 показана модель двигателя постоянного тока. В системе полюсов N и S находится якорь, на котором условно показано два проводника с током; вокруг проводников с током изображены магнитные силовые линии — м. с. л.; направление м. с. л. определено по правилу штопора. М. с. л. полюсов N и S взаимодействуют с м. с. л. проводников, и в результате взаимодействия действующие на проводники с током в сторону ослабленного магнитного поля. Направление этих сил F может быть также определено при помощи правила левой руки.

Рис. 37. Модель двигателя постоянного тока:
1 — полюс; 2 — коллектор; 3 — якорь.

Каждый проводник якоря с током создает момент, равный произведению силы F на радиус якоря. Под действием этих моментов якорь двигателя вращается в сторону стрелки п.
Величина вращающегося электромагнитного момента двигателя определяется по формуле 57.

При вращении якоря двигателя в магнитном поле его проводники пересекают м. с. л. поля и в них индуктируется э. д. с. Величина индуктированной э. д. с. определяется так же, как и для генератора. Э. д. с. и напряжение в двигателях связаны формулами:
(61)
(62)
Моменты в двигателе связаны формулой
М = М2 + М0, (63)
где М — электромагнитный момент двигателя, Н-м;
М2—полезный момент, Н-м;
М0—момент холостого хода двигателя, Н-м.
Генераторы постоянного тока с различными системами возбуждения
Существует три системы возбуждения генераторов: возбуждение от постоянных магнитов; независимое возбуждение и самовозбуждение.
Генераторы с самовозбуждением встречаются трех видов: с параллельным, последовательным и смешанным возбуждением.
Рассмотрим генераторы с наиболее распространенными системами возбуждения.
Генератор с независимым возбуждением и его характеристики. Обмотка возбуждения генератора, расположенная на основных полюсах, получает питание от независимого— постороннего источника тока, например от аккумулятора (рис. 38).
Характеристика холостого хода — зависимость э. д. с. якоря генератора от тока возбуждения при постоянной частоте вращения и токе якоря, равном нулю:
U = Е = СепФ. (64)
С увеличением тока возбуждения увеличивается поток машины. По мере насыщения машины прямолинейная зависимость между током возбуждения и потоком нарушается (рис. 39).
Характеристика короткого замыкания — зависимость тока якоря от тока возбуждения при постоянной частоте вращения и напряжения якоря, равном нулю:
(65)
При коротком замыкании магнитная цепь машины насыщена слабо, между током возбуждения и потоком существует прямолинейная зависимость (рис. 40).
Внешняя характеристика — зависимость напряжения на якоре генератора от якорного тока при постоянной частоте вращения и неизменном токе возбуждения:

Рис. 38 Схема генератора с независимым возбуждением:

1 — аккумуляторная батарея; 2—регулируемое сопротивление; 3 — обмотка возбуждения; 4 — рубильник; 5 — приводной двигатель; 6 — якорь; 7 — двухполюсный рубильник; 8 — нагрузка.
По мере увеличения якорного тока падение напряжения в якорной цепи увеличивается, а магнитный поток машины Ф несколько уменьшается, так как поток, созданный током якоря, уменьшает поток основных полюсов. Поэтому напряжение на якоре уменьшается (рис. 41).
Генератор с параллельным возбуждением и его характеристики. Самовозбуждение генератора возможно при наличии трех условий: магнитная система машины должна сохранять остаточный магнитный поток порядка 2-5% от полного потока; магнитный поток от тока возбуждения должен совпадать с остаточным потоком; сопротивление цепи возбуждения должно быть меньше некоторой критической величины.

Рис. 41. Внешняя характеристика генератора с независимым возбуждением.

Рис. 40. Характеристика короткого замыкания генератора с независимым возбуждением.

Рис. 39. Характеристика холостого хода генератора с независимым возбуждением.

Рис. 42. Схема генератора с параллельным возбуждением:

1— якорь; 2 — обмотка возбуждения; 3 — обмотка добавочных полюсов; 4 — регулируемое сопротивление; 5— приводной двигатель; 6 — нагрузка.

Рис. 43. Внешняя характеристика генератора параллельного возбуждения.

Рис. 44. Схема генератора последовательного возбуждения:
I — якорь; 2 — обмотка возбуждения; 3 — нагрузка; 4 — приводной двигатель.

Рис. 45. Внешняя характеристика генератора последовательного возбуждения.

Схема генератора показана на рисунке 42. Процесс возбуждения происходит следующим образом: якорь машины вращается и в его обмотке индуктируется небольшая э. д. с. от остаточного потока; обмотка возбуждения подключена к якорю и по ней под действием э. д. с. течет небольшой ток, который создает добавочный поток; результирующий поток увеличивается, что приводит к увеличению э. д. с. якоря и к увеличению тока возбуждения и т. д. Процесс возбуждения заканчивается, когда э. д. с. генератора будет равна падению напряжения в цепи возбуждения. Характеристика холостого хода генератора параллельного возбуждения аналогична характеристике холостого хода генератора независимого возбуждения, но она не идет из начала координат, так как всегда есть э. д. с. от остаточного потока. 1
Характеристику короткого замыкания можно снять только при независимом возбуждении.
Внешняя характеристика — зависимость напряжения якоря от тока якоря при постоянной частоте вращения и постоянном сопротивлении цепи возбуждения. При снятии этой характеристики напряжение уменьшается по тем же причинам, что и в генераторе независимого возбуждения, кроме того, при понижении напряжения уменьшается еще и ток возбуждения (рис. 43). Ток возбуждения сначала уменьшается медленно, а потом ускоряется, что ведет к резкому уменьшению напряжения на якоре.
Генератор последовательного возбуждения. Процесс возбуждения генератора идет так же, как и у генератора параллельного возбуждения (рис. 44). Нагрузка и обмотка возбуждения генератора последовательного возбуждения образуют цепь, аналогичную цепи возбуждения генератора параллельного возбуждения. Все характеристики генератора могут быть сняты при независимом возбуждении, и они будут точной копией характеристик генератора с независимым возбуждением, С самообслуживанием снимают только внешнюю характеристику.
Внешняя характеристика — зависимость напряжения на якоре от тока якоря при постоянной частоте вращения:
U = СепФ — IR. I
С увеличением нагрузки генератора увеличивается ток якоря; магнитный поток, зависящий от тока якоря, растет значительно быстрее падения напряжение в якорной цепи, и напряжение на якоре увеличивается. По мере насыщения магнитной цепи машины рост потока резко замедляется. Падение напряжения в якорной цепи и другие причины ведут к уменьшению напряжения на якоре.

Рис. 46. Схема генератора смешанного возбуждения:
1 — якорь; 2— параллельная обмотка возбуждения; 3 — последовательная обмотка возбуждения; 4 — регулируемое сопротивление; 5—нагрузка; 6 — приводной двигатель.

Рис. 47. Внешняя характеристика генератора смешанного возбуждения.
Возбуждение машины без нагрузки или при очень малой нагрузке невозможно. Внешняя характеристика генератора показана на рисунке 45.
Генератор смешанного возбуждения. На главных полюсах генератора размещаются две обмотки: параллельная и последовательная. Обе обмотки включаются так, чтобы токи в них имели одинаковые направления (рис. 46). При холостом ходе генератор работает как генератор параллельного возбуждения; при нагрузке появляется ток в последовательной обмотке, который, увеличивая магнитный поток машины, компенсирует падение напряжения в якорной цепи. Напряжение на якоре при нормальных нагрузках практически остается постоянным. Напряжение генератора и его э.д.с. связаны следующей зависимостью:
(66)
где Фш—поток параллельной обмотки (шунт);
Фс—поток последовательной обмотки (сериес).
Внешняя характеристика генератора — зависимость напряжения на якоре от тока якорной цепи при постоянной частоте вращения и постоянном сопротивлении цепи параллельной обмотки (рис. 47). Другие характеристики имеют характер соответствующих характеристик генераторов параллельного и последовательного возбуждения.

ЧТО ТАКОЕ ГЕНЕРАТОР ПОСТОЯННОГО ТОКА

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

КАК НА ВЫХОДЕ ПОЛУЧАЕТСЯ ПОСТОЯННЫЙ ТОК

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

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

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

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

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

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

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

• с независимым возбуждением;
• с самовозбуждением.

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

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

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

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

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

УСТРОЙСТВО ГЕНЕРАТОРА ПОСТОЯННОГО ТОКА

• подвижная вращающаяся часть якорь;
• неподвижная – статор.

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

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

Преимущества и область применения.

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

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

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

* * *
© 2014-2024 г.г. Все права защищены.
Материалы сайта имеют ознакомительный характер, могут выражать мнение автора и не подлежат использованию в качестве руководящих и нормативных документов.

Генератор постоянного тока: принцип работы, популярные модели

Все генераторы постоянного тока (DC generator) представляют собой электротехнические агрегаты, способные продуцировать на выходе напряжение без частотных колебаний, то есть, с постоянной величиной. Подобное оборудование в современном исполнении имеет достаточно сложное устройство, но при этом все модели не отличаются друг от друга по принципиальному способу получения постоянного тока для внешних цепей.

Принцип работы генераторов постоянного тока

В электродвигателе есть неподвижный статор и вращающийся в нем ротор или якорь. Но при этом вокруг якоря есть два полюса – север и юг (N и S), представляющие собой постоянный магнит, а между ними происходит это вращение. На конце ротора расположены два медных полукольца, изолированных друг от друга, к которым подсоединены концы обмотки – это называется коллектором. К этим самым полукольцам прижимаются графитовые щетки, через которые якорь соединяется с внешней электрической цепью.

При вращении ротора в статоре непрерывно меняется магнитный поток, который называется ЭДС или электродвижущей силой (electromotive force), зависящей от длины магнитного потока и частоты вращения. Так как магнитные полюса постоянно меняются, то здесь на выходе получают переменный ток. Генератор постоянного тока выравнивает поток следующим образом: в момент изменения тока в статоре одновременно происходит смена коллекторных пластин под щетками и их полярность не меняется (остается прежней), следовательно, ток во внешней электрической цепи будет постоянным. Это и есть принцип действия генератора постоянного тока, хотя в современных мощных устройствах все выглядит гораздо сложнее – там есть дополнительные приборы (катушки) для выравнивания потока, но, тем не менее, принцип всегда остается неизменным.

Читайте также:
Как обеспечить автоматический запуск генератора при отключении электричества

На верхнем изображении показана схема генератора постоянного тока с независимым включением (ndependent inclusion), который может работать либо последовательно, либо с параллельным возбуждением. Кроме того, генераторы могут быть с самовозбуждением (self-excited), которые работают либо от постоянных магнитов, либо от внешнего источника типа ветряка или аккумулятора (электромагниты). Именно эти характеристики генератора постоянного тока определяют его выбор при покупке, ну и, конечно же, стоимость той или иной модели.

Электродвижущая сила генератора

В разделе «Принцип работы генераторов постоянного тока» вы видели схемы работы генератора постоянного тока, а теперь поговорим об ЭДС или электродвижущей силе (electromotive force), которая является основой данного устройства, и разберем ее в действии. Представьте себе, что магнитное поле (magnetic field) имеет магнитный поток (magnetic flux) равный величине Ф, при этом якорь вращается с постоянной скоростью n об/мин. В генераторе на поверхности якоря есть дополнительные проводники, пересекающие magnetic flux при вращении и их количество равно z.

Итак, устройство генератора постоянного тока в современном исполнении предусматривает дополнительные проводники в виде катушек, от количества которых напрямую зависит индуктированная ЭДС. При этом полную мощность такого устройства можно определить по формуле P=EIa. Здесь значение Ia, обозначает величину полного тока на обмотке якоря и если ЭДС постоянна, то полная электрическая мощность всегда будет пропорциональна EIa. Эта мощность может быть больше или меньше в зависимости от скорости оборотов ротора и количества его полюсов.

Кроме того, есть полезная мощность (net power) P1, измеряемая в ваттах, которая поступает на внешнюю цепь, и она равна P1=UI, где литера U подразумевает напряжение в вольтах, а литера I – ампераж (в амперах). Для того чтобы определить промышленный КПД (обозначается, как ɳm), вырабатываемого альтернаторами постоянного тока нужно определить отношение полной мощности к полезной по формуле ɳm= P1/P — так вы узнаете промышленный коэффициент.

Немного о строении генератора

Любая конструкция генераторов постоянного тока подразумевает наличие статора и ротора (якоря). Роторы делают на заводах электрооборудования, и они представляют собой стержни (валы) с металлическими (стальными) пластинами, где есть углубления для обмоток, причем концы обмоток в обязательном порядке будут коммутировать с медным коллектором. Коллектор представляет собой набор медных пластин, которые изолированы друг от друга диэлектриками. Вся эта сборка в целом называется якорем.

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

Видео описание

Принцип работы генератора переменного тока.

Где используются генераторы постоянного тока

В XIX столетии, которое по совместительству является зарей периода электрификации, генераторы, вырабатывающие постоянный ток, были единственным промышленным источником выработки электроэнергии. Также существовали и химические альтернативы, но они обходились очень дорого, впрочем, их стоимость остается высокой и по сегодняшний день – просто посмотрите на цену обычных батареек. Как бы там ни было, но на тот момент отсутствовали источники переменного тока и только с подачи Николо Тесла и других ученых в электрооборудовании начали появляться трансформаторы и асинхронные двигатели, а также появилось трехфазное энергоснабжение – это постепенно вытеснило постоянный ток.

В XX столетии и на сегодняшний день генераторы, вырабатывающие постоянный ток, востребованы в транспорте – в промышленной и обслуживающей сфере:

• городской транспорт – трамваи и троллейбусы;
• железнодорожный транспорт – тепловозы разных моделей;
• автомобильный транспорт – сейчас генераторы старого образца заменили трехфазными генераторами со встроенными преобразователями.

Кроме основных объектов потребления постоянного тока существуют также электротехническое оборудование, где используется такое напряжение. Например, небольшие сварочные аппараты, у которых автономная система питания, а также различные помпы и насосы с мощными пусковыми двигателями. При выборе (покупке) такой техники нужно конкретно выяснить, с какими именно целями будет справляться тот или иной агрегат и только тогда может быть рассмотрена характеристика генератора постоянного тока, необходимого для данного оборудования.

Читайте также:
Советский бензиновый генератор АБ 2 Т 230 м1

Примечание: для приобретения генератора, вырабатывающего постоянный ток можно посетить магазины с широким ассортиментом электротоваров, торговые центры, а также коммерческие площадки в Интернете (интернет-магазин).

Популярные инверторные генераторы

Помимо классификации генераторов постоянного тока покупателей, как правило, интересует популярность той или иной модели, а также ее технические характеристики, реальное соответствие этим параметрам и возможность сервисного обслуживания. Еще потенциальные покупатели интересуются, были ли претензии к качеству той или иной модели, как выполнялись гарантийные обязательства производителем и, конечно же, стоимость агрегата.

Weekender X3500ie

Модель генератора с карбюраторным двигателем Weekender X3500ie из США относится к числу инверторов, которые обычно находятся на первых позициях в рейтинге популярности и такие агрегаты покупают чаще всего. Несмотря та то, что двигатель изготовлен по прототипу Honda, и это не что иное, как копия, его можно отнести к линейке наиболее экономичных моторов, работающих на бензине – расход топлива составляет всего 250 мл на 1 кВт-час электроэнергии для внешней цепи. В целом номинальная мощность инверторного генератора составляет 3,0 кВт, а максимальная – 3,5 кВт при расходе бензина 0,65 л/час. Такая модель подходит для загородных домов, чтобы обеспечить работу газового котла с циркуляционным насосом, а также бытовой техники.

Преимущества Weekender X3500ie:

• пуск двигателя генератора может осуществляться либо брелком, либо электростартом;
• мощности агрегата достаточно для частного дома средней величины;
• наличие счетчика моточасов напомнит о времени прохождения очередного сервиса;
• в случае выхода агрегата из строя нужные детали всегда можно найти в магазинах.

Недостатки Weekender X3500ie:

• потребность своевременной подзарядки батареи;
• при незначительном недоливе масла реагирует датчик контроля уровня, и двигатель не запускается;
• ограниченное количество сервисных центров.

Weekender GS950I

Инверторный бензиновый генератор Weekender GS950I представляет собой портативный чемоданчик, который можно брать с собой в турпоход, на охоту или на рыбалку. Такая модель способна вырабатывать от 0,5 до 1,0 кВт при потреблении горючего 0,36 л на 1 кВт-час. Учитывая объем топливного бака, куда помещается 2,1 л, двигатель может бесперебойно работать от 4-х до 12 часов. Безусловно, данный агрегат относится к разряду маломощных, но его ресурса, достаточно для выезда на природу, где может возникнуть потребность в освещении или подключении бытовых электроприборов на ≈220 V. также есть возможность использования Weekender GS950I в качестве резервного питания для небольшого магазина или офиса для работы оргтехники и освещения. Запуск двигателя Subaru-Type на 1,35 л.с. на такой модели осуществляется при помощи тросика, и проблем при этом никогда не возникает.

Преимущества Weekender GS950:

• модель стабильно обеспечивает ≈220 V без возникновения скачков или просадок напряжения;
• работа двигателя достаточно тихая, в пределах 56 дБ, есть эффективная система охлаждения;
• экономия бензина при неполной загрузке инвертора;
• компактные и стильные параметры.

Недостатки Weekender GS950:

• нет датчика моточасов;
• небольшая выходная мощность.

Konner&Sohnen KS 2100i NEW

Для не очень большого загородного дома можно приобрести инверторный генератор, работающий на бензине, Konner&Sohnen KS 2100i NEW, у которого номинальная выходная мощность составляет 1,6 кВт, максимальная – 1,8 кВт. У агрегата довольно-таки вместительный топливный бак на 5,5 л, а заправляют его маркой АИ-92. Учитывая тот факт, что ток после инвертора имеет правильную синусоиду, устройство можно использовать для газовых котлов с электронным пультом управления, циркуляционных насосов, холодильников, кондиционеров и другой бытовой техники. Уровень шума двигателя составляет 68 дБ, так что его можно размещать в гараже или в сарае, и он не будет особо мешать вашему времяпровождению

Преимущества Konner&Sohnen KS 2100i NEW:

• инвертор выдает ток с чистой (правильной) синусоидой;
• у агрегата удобная панель управления;
• двигатель установлен на прочной стальной раме;
• легкий ручной запуск устройства.

Недостатки Konner&Sohnen KS 2100i NEW:

• жалоб и нареканий не поступало.

Konner&Sohnen KS 2000iS NEW

Немецкий инверторный генератор Konner&Sohnen KS 2000iS NEW с 4-тактным карбюраторным двигателем работает на бензине марки АИ-92 и выдает номинальную мощность 1,8 кВт, а максимальную – 2,0 кВт. Заполненный топливный бак вместимостью 4 литра позволяет на несколько часов обеспечить бесперебойную работу бытовой техники, причем, не только освещения, но и сложных приборов, где не обойтись без правильной синусоиды, которую должен выдавать инвертор. Масса генератора 18 кг, что позволяет вручную переносить его с места на место и это немаловажный фактор для эксплуатации прибора.

Преимущества Konner&Sohnen KS 2000iS NEW:

• немецкое качество электродвигателя;
• упрощенный запуск;
• система ЭКО позволяет экономить бензин;
• звукоизоляционный кожух понижает шум до 64 дБ.

Недостатки Konner&Sohnen KS 2000iS NEW:

Видео описание

Модель генератора постоянного тока.

Заключение

Когда вы понимаете, как работает генератор постоянного тока, вам будет проще сделать осознанный выбор при покупке инвертора для своего загородного дома, собственного магазина или офиса. Возможно, вы подберете установку, о которой не было речи в разделе «Популярные инверторные генераторы», но это не столь важно. Главное, чтобы качество альтернатора соответствовало цене, которую вы отдали при его покупке.