Принцип работы постояного генератора. Генератор постоянного тока: устройство, применение

Принцип работы постояного генератора. Генератор постоянного тока: устройство, применение

Принцип работы генератора постоянного тока основан на возникновении ЭДС в рамке, вращающейся в магнитном поле (рис. 6-1, а). За один оборот в каждой рабочей (активной) части рамки ЭДС дважды меняет знак. Чтобы ток во внешней цепи имел только одно направление (постоянное), применяют коллектор - два полукольца, соединенные с концами рамки, а рамку соединяют с внешней цепью через вращающийся коллектор и неподвижные щетки. Как только активная сторона рамки начнет пересекать линии магнитной индукции в противоположном направлении по сравнению с

предыдущим, соединенное с этой стороной полукольцо коллектора начнет соприкасаться с другой щеткой. Благодаря такому устройству направление тока во внешней цепи остается неизменным, хотя его значение изменяется (пульсирует, рис. 6-1, б).

Устройство промышленного генератора постоянного тока изображено на рисунке 6-2. На внутренней поверхности станины изготовленной из цельного чугунного литья, жестко укреплены главные полюсы 2 с обмотками возбуждения и дополнительные полюсы с обмотками для компенсации ЭДС самоиндукции и реакции якоря. В большинстве случаев электромагниты питаются от самого генератора. Внутри станины помещается якорь 3, представляющий собой металлический цилиндр, набранный из штампованных пластин электротехнической стали. В продольных пазах на поверхности якоря размещается обмотка якоря, состоящая из соединенных между собой секций. Для сглаживания пульсаций ЭДС и тока обмотка


якоря равномерно размещена по всей поверхности, магнитное сопротивление между полюсами уменьшается благодаря стальному сердечнику якоря. Выводы обмоток припаивают к изолированным друг от друга и от корпуса машины медным пластинам коллектора 4, причем конец одной секции и начало следующей припаивают к одной и той же пластине. Коллектор жестко укреплен на валу якоря, на этом же валу крепят и вентилятор. Вал якоря помещается в подшипники подшипниковых щитов 5, укрепляемых на боковых сторонах станины. Между якорем и полюсами статора образуется незначительный воздушный зазор, благодаря которому якорь может свободно вращаться. На цилиндрическую поверхность коллектора накладываются угольные щетки, вставленные в щеткодержатели 6. Для уменьшения сопротивления щетки часто прессуются из смеси угольного и медного порошка.

Машины постоянного тока часто делают многополюсными (рис. 6-3), при этом в каждой секции обмотки за один оборот значение и знак ЭДС изменяются столько раз, сколько полюсов. Магнитная цепь такой машины более сложная, при этом число пар щеток равно числу пар полюсов, а щетки одинаковой полярности соединяют вместе.

Принципы работы генератора постоянного тока рассмотрим более подробно.

Если якорь изготовить в виде кольца и на нем разместить обмотку в виде замкнутого тороида, то такой якорь называют кольцевым, а обмотку - спиральной. При вращении этого якоря в магнитном поле в витках его обмотки будут индуцироваться ЭДС (рис. 6-4, а). Оказывается, что в витках одной половины обмотки ЭДС имеет один знак, в витках другой половины - противоположный. Если витки равномерно распределены по поверхности якоря, то тока в обмотке не будет, так как действие ЭДС обеих половин взаимно компенсируется. Если, например, у витков с внешней стороны частично снять изоляцию и с двух противоположных сторон наложить две неподвижные щетки (а и b) так, чтобы при вращении якоря они могли касаться каждого витка, то легко заметить, что вся обмотка как бы разделится пополам и при вращении якоря витки одной половины обмотки будут постепенно переходить в другую, при этом число витков каждой половины, полярность и значение ЭДС будут оставаться неизменными. Если теперь подключить нагрузку к щеткам, то во внешней цепи и в каждой половине обмотки установится постоянный ток.


Очевидно, что для более полного использования ЭДС обмотки щетки надо подключать в тех точках, где ЭДС не наводится. Прямая, проходящая через две такие точки, называется геометрической нейтралью (ГН). При таком расположении щеток обмотка оказывается разделенной на две параллельные ветви, соединенные между собой и внешней цепью щетками. Если щетки сместить относительно геометрической нейтрали, то в части витков каждой параллельной ветви ЭДС будет иметь противоположную полярность, а под щетками может начаться искрение, так как в закорачиваемых щетками витках (секциях) ЭДС отлична от нуля.

Кольцевой якорь можно усовершенствовать, если не снимать изоляцию с витков обмотки, а сделать от них отводы, соединенные с пластинами коллектора, а щетки наложить на коллектор (рис. 6-4, б). Если у такой машины сделать четыре полюса, то обмотка разделится на четыре части (рис. 6-5, а). Если далее вместо двух щеток поставить четыре и одноименные соединить между собой (рис. 6-5, б), то обмотка будет иметь четыре параллельные ветви. Легко видеть, что с увеличением числа параллельных ветвей ток нагрузки может быть соответственно увеличен.

Рассмотренный выше кольцевой якорь со спиральной обмоткой имеет существенные недостатки. Во-первых, магнитный поток замыкается через стенку кольца (якоря), минуя внутреннюю полость, поэтому активной стороной каждого витка обмотки является та, которая расположена на поверхности, а внутренняя часть витка для получения ЭДС не используется и служит лишь соединительным проводником. Это обстоятельство приводит к нерациональному расходу меди. Во-вторых, спиральную обмотку нельзя сделать по шаблону, поэтому в настоящее время машины с кольцевым якорем не изготовляют.

Недостатки кольцевого якоря устраняют заменой его барабанным. Обмотки барабанного якоря (рис. 6-6) укладывают в специальные пазы на поверхности цилиндра (якоря) в виде отдельных секций, определенным образом соединенных с пластинами коллектора и между собой. Секция - это часть обмотки между двумя соседними отводами к коллектору. Обе стороны каждой секции являются активными; секции изготовляют по шаблону.

Генераторами называют электрические машины, преобразующие механическую энергию в электрическую. Принцип действия электрического генератора основан на использовании явления электромагнитной индукции, которое состоит в следующем. Если в магнитном поле постоянного магнита перемещать проводник так, чтобы он пересекал магнитный поток, то в проводнике возникнет электродвижущая сила (э.д.с), называемая э.д.с индукции (Индукция от латинского слова inductio - наведение, побуждение) , или индуцированной э.д.с. Электродвижущая сила возникает и в том случае, когда проводник остается неподвижным, а перемещается магнит. Явление возникновения индуцированной э.д.с. в проводнике называется электромагнитной индукцией. Если проводник, в котором индуцируется э.д.с, включить в замкнутую электрическую цепь, то под действием э.д.с. по цепи потечет ток, называемый индуцированным током.
Опытным путем установлено, что величина индуцированной э.д.с., возникающей в проводнике при его движении в магнитном поле, возрастает с увеличением индукции магнитного поля, длины проводника и скорости его перемещения. Индуцированная э.д.с. возникает только тогда, когда проводник пересекает магнитное поле. При движении проводника вдоль магнитных силовых линий э.д.с. в нем не индуцируется. Направление индуцированной э.д.с. и тока проще всего определить по правилу правой руки (рис.1): если ладонь правой руки держать так, чтобы в нее входили магнитные силовые линии поля, отогнутый большой палец показывал бы направление движения проводника, то остальные вытянутые пальцы укажут направление действия индуцированной э.д.с. и направление тока в проводнике. Магнитные силовые линии направлены от северного полюса магнита к южному.

Рис. 1. Определение направления индуцированной э.д.с. по правилу правой руки

Имея общее представление об электромагнитной индукции, рассмотрим принцип действия простейшего генератора (рис. 2). Проводник в виде рамки из медной проволоки укреплен на оси и помещен в магнитное поле. Концы рамки присоединены к двум изолированным одна от другой половинам (полукольцам) одного кольца. Контактные пластины (щетки) скользят по этому кольцу. Такое кольцо, состоящее из изолированных полу колец, называют коллектором, а каждое полукольцо - пластиной коллектора. Щетки на коллекторе должны быть расположены таким образом, чтобы они при вращении рамки одновременно переходили с одного полукольца на другое как раз в те моменты, когда э.д.с, индуцируемая в каждой стороне рамки, равна нулю, т. е. когда рамка проходит свое горизонтальное положение.


Рис. 2. Простейший генератор постоянного тока

С помощью коллектора переменная э.д.с, индуцируемая в рамке, выпрямляется, и во внешней цепи создается постоянный по направлению ток.
Присоединив к контактным пластинам внешнюю цепь с электроизмерительным прибором, фиксирующим величину индуцируемого тока, убедимся, что рассмотренное устройство действительно является генератором постоянного тока.
В любой момент времени t э.д.с. Е (рис. 3), возникающая в рабочей стороне Л рамки, противоположна по направлению э.д.с, возникающей в рабочей стороне Б. Направление э.д.с. в каждой стороне рамки легко определить, воспользовавшись правилом правой руки. Э.д.с, индуцируемая всей рамкой, равна сумме э.д.с, возникающих в каждой ее рабочей стороне. Величина э.д.с в рамке непрерывно изменяется. В то время, когда рамка подходит к своему вертикальному положению, количество силовых линий, пересекаемых проводниками в 1 с, будет наибольшим и в рамке индуцируется максимальная э.д.с. Когда рамка проходит горизонтальное положение, ее рабочие стороны скользят вдоль силовых линий, не пересекая их, и э.д.с. не индуцируется. В период движения стороны Б рамки к южному полюсу магнита (рис.3 , а, б) ток в ней направлен на нас. Этот ток проходит через полукольцо, щетку 2, измерительный прибор к щетке /ив сторону А рамки. В этой стороне рамки ток индуцируется в направлении от нас. Своего наибольшего значения э.д.с. в рамке достигает тогда, когда стороны ее расположены непосредственно под полюсами (рис.3, б).


Рис. 3. Схема работы генератора постоянного тока

При дальнейшем вращении рамки э.д.с. в ней убывает и через четверть оборота становится равной нулю (рис. 3, в). В это время щетки переходят с одного полукольца на другое. Таким образом, за первую половину оборота рамки каждое полукольцо коллектора соприкасалось только с одной щеткой. Ток проходил по внешней цепи в одном направлении от щетки 2 к щетке 1. Будем продолжать вращать рамку. Электродвижущая сила в рамке снова начинает возрастать, так как ее рабочие стороны будут пересекать магнитные силовые линии. Однако направление э.д.с. изменяется на противоположное, потому что проводники пересекают магнитный поток в обратном направлении. Ток, индуцируемый в стороне А рамки, направлен теперь на нас. Но ввиду того, что рамка вращается вместе с коллектором, полукольцо, соединенное со стороной А рамки, соприкасается теперь не со щеткой 1, а со щеткой 2 (рис.3, г) и по внешней цепи проходит ток того же направления, как и во время первой половины оборота. Следовательно, коллектор выпрямляет ток, т. е. обеспечивает прохождение индуцируемого тока во внешней цепи в одном направлении. К концу последней четверти оборота (рис.3, д) рамка возвращается в первоначальное положение (см. рис.3, а), после чего весь процесс изменения тока в цепи повторяется.
Таким образом, между щетками 2 и 1 действует постоянная по направлению э.д.с, и ток по внешней цепи всегда проходит в одном направлении - от щетки 2 к щетке 1. Хотя этот ток остается постоянным по направлению, он меняется по величине, т. е. пульсирует. Такой ток практически трудно использовать.
Рассмотрим, как можно получить ток с небольшой пульсацией, т. е. ток, величина которого при работе генератора мало изменяется. Представим себе генератор, состоящий из двух расположенных перпендикулярно один к другому витков (рис.4). Начало и конец каждого витка присоединены к коллектору, состоящему теперь из четырех коллекторных пластин.

Рис.4. Генератор постоянного тока с двумя витками

При вращении этих витков в магнитном поле в них возникает э.д.с. Однако индуцированные в каждом витке э.д.с. достигают своих нулевых и максимальных значений не одновременно, а позднее одна другой на время, соответствующее повороту витков на четверть полного оборота, т. е. на 90°. В положении, изображенном на рис.4, в витке 1 возникает максимальная э.д.с, равная Емах. В витке 2 э. д. с. не индуцируется, так как его рабочие стороны скользят вдоль магнитных силовых линий, не пересекая их. Величины э.д.с витков показаны на рис.5. По мере поворота витков э.д.с витка 1 убывает. Когда витки повернутся на 1/8 оборота, э.д.с. витка 1 станет равной Emin. В этот момент происходит переход щеток на вторую пару коллекторных пластин, соединенных с витком 2. Виток 2 уже повернулся на 1/8 оборота, пересекает магнитные силовые линии и в нем индуцируется э.д.с, равная той же величине Емах. При дальнейшем повороте витков э.д.с. витка 2 возрастает до наибольшей величины Емах. Таким образом, щетки оказываются все время соединенными с витками, в которых индуцируется э.д.с величиной от Emin до Емах.


Рис.5. Кривые пульсации электродвижущей силы двухвиткового генератора

Ток во внешней цепи генератора возникает в результате действия суммарной э.д.с. Поэтому он протекает непрерывно и только в одном направлении. Ток, как и прежде, будет пульсирующим, однако пульсация получается значительно меньше, чем при одном витке, так как э.д.с. генератора не снижается до нуля.
Увеличивая число проводников (витков) генератора и соответственно число коллекторных пластин, можно сделать пульсации тока очень малыми, т. е. ток по величине станет практически постоянным. Например, уже при 20 коллекторных пластинах колебания э.д.с. генератора не превысят 1 % среднего значения. Во внешней цепи получим ток, практически постоянный по величине.
Вместе с тем легко видеть, что генератор, изображенный на рис.4, имеет и очень существенный недостаток. В каждый определенный момент времени внешняя цепь присоединена посредством щеток лишь к одному витку генератора. Второй виток в этот же момент времени совершенно не используется. Электродвижущая сила, индуцируемая в одном витке, весьма мала, а значит и мощность генератора будет небольшой.
Для непрерывного использования всех витков их соединяют между собой последовательно. С этой же целью число коллекторных пластин уменьшают до количества витков обмотки. К каждой коллекторной пластине присоединяют конец одного и начало следующего витка обмотки. Витки в этом случае представляют собой последовательно соединенные источники электрического тока и образуют обмотку якоря генератора. Теперь электродвижущая сила генератора равна сумме э.д.с, индуцируемых в витках, включенных между щетками. Кроме последовательной, существуют и другие схемы соединения витков обмотки. Число витков берется достаточно большим, чтобы получить необходимую величину э.д.с. генератора. Поэтому и коллекторы тепловозных электрических машин получаются с большим количеством пластин.
Таким образом, благодаря большому числу витков обмотки удается не только сгладить пульсации напряжения и тока, но и повысить значение индуцируемой генератором э.д.с.
Выше был рассмотрен электрический генератор, состоящий из постоянных магнитов и одного или нескольких витков, в которых возникает ток. Для практических целей такие генераторы непригодны, так как от них невозможно получить большую мощность. Объясняется это тем, что создаваемый постоянным магнитом магнитный поток очень мал. Кроме того, пространство между полюсами создает для магнитного потока значительное сопротивление. Магнитный поток еще более ослабляется. Поэтому в мощных генераторах, к которым относятся и тепловозные, применяются электромагниты, создающие сильный магнитный поток возбуждения (рис.6). Для уменьшения магнитного сопротивления магнитопровода генератора витки обмотки размещают на стальном цилиндре, который заполняет почти все пространство между полюсами.
Этот цилиндр с помещенной на нем обмоткой и коллектором называется якорем генератора.


Рис. 6. Схема генератора с электромагнитной системой возбуждения и стальным массивным якорем

Обмотка возбуждения генератора расположена на сердечниках главных полюсов. При прохождении по ней тока создается магнитное поле, называемое полем главных полюсов. При разомкнутой внешней цепи генератора магнитные силовые линии располагаются в полюсах и якоре симметрично вертикальной оси (рис.7, а). Для уяснения особенностей работы электрической машины введем понятия о геометрической и физической нейтралях.
Геометрической нейтралью называется линия, проведенная через центр якоря перпендикулярно оси противоположных полюсов (горизонтальная линия 01-01). Физическая нейтраль представляет собой условную линию, которая разделяет зоны влияния северного и южного полюсов на обмотку якоря и проходит перпендикулярно направлению магнитного потока электромашины.
В проводнике обмотки, который при вращении якоря проходит физическую нейтраль, э.д.с. не индуцируется, так как такой проводник скользит вдоль магнитных силовых линий, не пересекая их. В случае отсутствия тока в якоре (см. рис.7, а) физическая нейтраль n-n совпадает с геометрической нейтралью.


Рис.7. Реакция якоря.
а — магнитный поток главных полюсов; б — магнитный поток, создаваемый обмоткой якоря; в — суммарный магнитный поток нагруженного генератора

При замыкании внешней цепи электрической машины ток пойдет и по обмотке якоря. Весь якорь в этом случае будет представлять собой мощный электромагнит, состоящий из стального сердечника и обмотки, по которой проходит ток. Следовательно, кроме потока полюсов, в нагруженном генераторе существует второй магнитный поток, называемый потоком якоря (рис.7, б). Магнитный поток якоря направлен перпендикулярно потоку главных полюсов. Оба магнитных потока накладываются друг на друга и образуют суммарное, или результирующее, поле, показанное на рис.7, в. Направление магнитного поля генератора в результате действия поля якоря смещается в сторону вращения якоря. В ту же сторону смещается и физическая нейтраль, которая занимает в этом случае положение n1-n1.
Влияние магнитного поля якоря на поле полюсов называется реакцией якоря. Реакция якоря отрицательно сказывается на работе генератора. Щетки М-М электрической машины должны быть всегда установлены по направлению физической нейтрали. Поэтому приходится смещать щетки генератора по отношению к геометрической нейтрали на некоторый угол Р (рис.7, в), так как в противном случае между щетками и коллектором возникает сильное искрение. Искрение вызывает подгар поверхности коллектора и щеток и выводит их из строя. Чем больше ток якоря, тем сильнее проявляется реакция якоря, тем на больший угол необходимо сдвигать щетки. При частых изменениях нагрузки тепловозного генератора пришлось бы почти непрерывно менять положение его щеток.
Реакция якоря не только смещает магнитное поле главных полюсов, но и частично ослабляет его, что приводит к уменьшению индуцируемой генератором э. д. с.
Для ослабления реакции якоря в генераторах между основными полюсами устанавливаются добавочные полюсы, а иногда с этой же целью в полюсные наконечники главных полюсов закладывают компенсационную обмотку. Добавочные полюсы создают дополнительное магнитное поле, которое в зонах установки щеток направлено навстречу полю якоря, вследствие чего действие его нейтрализуется (рис.8).


Рис. 8. Схема генератора с добавочными полюсами

Однако этим не ограничивается положительное влияние добавочных полюсов на работу генератора. После прохода через нейтраль генератора направление тока в каждом витке обмотки (см. рис.7) очень быстро изменяется на противоположное. На нейтрали виток оказывается замкнутым накоротко щетками. Такой виток называют коммутирующим (Коммутация от латинского слова commutatio - изменение, перемена). В коммутирующих витках (секциях) обмотки якоря вследствие очень быстрого изменения направления тока возникает довольно большая э.д.с. самоиндукции и взаимоиндукции, которую называют реактивной э.д.с. Эта э.д.с. в коммутирующих секциях усиливается действием магнитного потока якоря, который они пересекают. Действие реактивной э.д.с. приводит к сильному искрению щеток. Добавочные полюсы рассчитывают так, чтобы их магнитный поток был несколько больше магнитного потока якоря. Благодаря этому в коммутирующих секциях индуцируется дополнительная э.д.с. Новая э.д.с. имеет направление, противоположное реактивной э.д.с, и гасит ее, предотвращая интенсивное искрение.
Магнитное поле якоря изменяется с изменением нагрузки (тока) генератора, поэтому для его нейтрализации необходимо изменять и поле компенсационных устройств. Обмотку добавочных полюсов включают последовательно с обмоткой якоря, и по ней проходит весь ток якоря. С увеличением тока генератора возрастает магнитный поток якоря, но вместе с этим возрастает и компенсирующий его магнитный поток добавочных полюсов.
Компенсационная обмотка позволяет дополнительно улучшить распределение магнитного потока в электрической машине. Так, из рис.7 легко видеть, что в результате действия реакции якоря магнитный поток главных полюсов становится неравномерным - с одной стороны полюса он усиливается, а с другой - ослабляется. Это приводит к неравномерной нагрузке якорной обмотки, часть витков окажется перегруженной, ухудшаются условия работы щеток.
С помощью компенсационной обмотки, расположенной на главных полюсах, устраняется искажение магнитного потока непосредственно под главными полюсами. Однако одновременное применение добавочных полюсов и компенсационной обмотки значительно усложняет конструкцию электрических машин. Если удается осуществить удовлетворительную работу электрической машины посредством применения добавочных полюсов, то компенсационную обмотку стараются не применять. Компенсационные обмотки нашли практическое применение лишь в мощных электрических машинах.

На следующих рисунках представлен генератор Г-21 на 12 В, 0.22 кВт, 1450 -7000 об/мин.





Электрические машины постоянного тока

Электрические машины постоянного тока по своему назначению делятся на электрические генераторы (или просто генераторы), преобразующие механическую энергию в электрическую при постоян­ном напряжении (генераторы являются источниками электрической энергии), и электрические двигатели (электродвигатели), преобразую­щие электрическую энергию постоянного тока в механическую энер­гию. Эта механическая энергия используется для приведения во вра­щение какого-либо исполнительного механизма (станок, лебедка, колеса трамвая, электропоезда и т. д.).

Кроме того, существуют некоторые специальные виды машин, например машины, предназначенные для преобразования электроэнергии постоянного тока в электроэнергию переменного тока или наоборот; микромашины, используемые в системах автоматического регулирования, в измерительных и счетно-решающих устройствах в качестве датчиков (например, датчиков скорости) и др.

Электротехнической промышленностью выпускаются машины …
постоянного тока различной мощности и напряжения. Условно их можно подразделить на следующие группы по мощности:

1) микромашины, мощность которых измеряется от долей ватта до 500 Вт;

2) машины малой мощности – 0,5 ÷ 10 кВт;

3) машины средней мощности – от 10 до нескольких сотен киловатт;

4) машины большой мощности – свыше нескольких сотен киловатт.

Напряжение машин постоянного тока изменяется от 6-12 В для используемых на автотранспорте до 30 кВ для используемых в радиотехнических установках.

Большое применение находят машины постоянного тока мощностью до 200 кВт на напряжение 110-440 В с частотой вращения 550-2870 об/мин. Микромашины имеют частоты вращения от нескольких оборотов до 30000 об/мин.

В промышленности, на транспорте и в сельском хозяйстве наиболее широко используют электродвигатели. Генераторы применяют для питания устройств связи, радиотехнических установок и т.д. В последние годы в качестве источников постоянного тока все более широко применяют более экономичные и простые в эксплуатации статические полупроводниковые преобразователи.

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

Одной из основных частей машины постоянного тока является магнитопровод, по которому замыкается магнитный поток. Магнитная цепь машины постоянного тока 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 Ф 0 .

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

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 ЭДС. Когда виток занимает горизонтальное положение, ЭДС в проводниках равна нулю.

Направление ЭДС в проводнике определяется по правилу пра­вой руки. Когда при вращении витка проводник переходит под другой полюс, направление ЭДС 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, ЭДС которого направ­лена от щетки. В результате полярность щеток остается неизменной, а следовательно, остается неизменной по направлению ЭДС на щет­ках — е щ .

Хотя ЭДС простейшего генератора постоянного тока постоянна по направлению, по значению она изменяется, принимая за один обо­рот витка два раза максимальное и два раза нулевое значения. ЭДС 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. В результате этого пульсации ЭДС обмотки якоря уменьшаются. При увеличении числа витков и коллекторных пластин можно получить практически постоянную ЭДС обмотки якоря.

§ 105. УСТРОЙСТВО ГЕНЕРАТОРА ПОСТОЯННОГО ТОКА

Неподвижная часть в машинах постоянного тока является ин­дуктирующей, т. е. создающей магнитное поле, а вращающаяся часть является индуктируемой (якорем).

Неподвижная часть машины (рис. 134, а) состоит из главных полюсов 1, дополнительных полюсов 2 и станины 3. Главный по­люс (рис. 134, б) представляет собой электромагнит, создающий магнитный поток. Он состоит из сердечника 4, обмотки возбужде­ния 7 и полюсного наконечника 8. Полюсы крепятся на станине 6 с помощью болта 5. Сердечник полюса отливается из стали и имеет поперечное сечение овальной формы. На сердечнике полюса поме­чена катушка обмотки возбуждения, намотанная из изолирован­ного медного провода. Катушки всех полюсов соединяются после­довательно, образуя обмотку возбуждения. Ток, протекающий по обмотке возбуждения, создает магнитный поток. Полюсный нако­нечник удерживает обмотку возбуждения на полюсе и обеспечи­вает равномерное распределение магнитного поля под полюсом. Полюсному наконечнику придают такую форму, при которой воздушный зазор между полюсами и якорем одинаков по всей длине полюсной дуги. Добавочные полюсы имеют также сердечник и обмотку.

Добавочные полюсы устанавливают в средних точках меж главными полюсами, и число их может быть либо равным число главных полюсов, либо вдвое меньшим. Добавочные полюсы устанавливают в машинах больших мощностей, и они служат для уст ранения искрения под щетками. В машинах малых мощности добавочных полюсов обычно нет.

Станина отливается из стали и является остовом машины, На станине крепят главные и добавочные полюсы, а также на тор­цовых сторонах боковые щиты с подшипниками, удерживающими вал машины. С помощью станины машина крепится на фундаменте.

Вращающаяся часть машины (якорь) (рис. 135, а) состоит из сердечника 1, обмотки 2 и коллектора 3. Сердечник якоря пред­ставляет собой цилиндр, собранный из листов электротехнической стали. Листы изолируются друг от друга лаком или бумагой для уменьшения потерь на вихревые токи. Стальные листы штампуют на станках по шаблону; они имеют пазы, в которых укладываются проводники обмотки якоря. В теле якоря делают воздушные кана­лы для охлаждения обмотки и сердечника якоря.

Обмотку якоря выполняют из медного изолированного провода или из медных стержней прямоугольного поперечного сечения. Она состоит из секций, изготовленных на специальных шаблонах и ук­ладываемых в пазах сердечника якоря. Одновитковая секция со­стоит из двух активных проводов, соединенных между собой.

Секции могут иметь не один, а много витков. Такие секции называются многовитковыми. Обмотка тщательно изолируется от сердечника и закрепляется в пазах деревянными клиньями. Лобо­вые соединения укрепляются стальными бандажами. Все секции обмотки, помещенные на якоре, соединяются между собой после­довательно, образуя замкнутую цепь. Провода, соединяющие две секции, следующие одна за другой по схеме обмотки, присоединя­ются к коллекторным пластинам.

Коллектор представляет собой цилиндр, состоящий из отдель­ных пластин. Коллекторные пластины изготовляют из твердотянутой меди и изолируют между собой и от корпуса прокладками из миканита. Для крепления на втулке коллекторным пластинам при­дают форму «ласточкина хвоста», который зажимается между выступом на втулке и шайбой, имеющими форму, соответствующую форме пластины. Шайба крепится к втулке болтами.

Коллектор является наиболее сложной в конструктивном отно­шении и наиболее ответственной в работе частью машины. Поверх­ность коллектора должна быть строго цилиндрической во избежа­ние биения и искрения щеток.

Для соединения обмотки якоря с внешней цепью на коллекторе помещают неподвижные щетки, которые могут быть графитными, угольно-графитными или бронзо-графитными. В машинах высокого напряжения применяют графитные щетки, имеющие большое пере­ходное сопротивление между щеткой и коллектором, в машинах низкого напряжения - бронзо-графитные щетки. Щетки помещают в особых щеткодержателях (рис. 135, б). Щетка 4, помещенная в обойме щеткодержателя, прижимается пружиной 5 к коллектору. На каждом щеткодержателе может находиться несколько щеток, включенных параллельно.

Щеткодержатели укрепляются на щеточных болтах-пальцах, которые, в свою очередь, закреплены на траверсе. Для укрепления на щеточном пальце щеткодержатель имеет отверстие.

Щеточные пальцы изолируются от траверсы изоляционными шайбами и втулками. Число щеткодержателей обычно равно числу полюсов.

Траверса устанавливается на подшипниковом щите в машинах малой и средней мощности или прикрепляется к станине в машинах больших мощностей. Траверсу можно поворачивать и этим изме­нять положение щеток относительно полюсов.

Обычно траверса устанавливается в таком положении, при ко­тором расположение щеток в пространстве совпадает с располо­жением средних точек главных полюсов.

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

    приобрестипрактические навыки пуска, эксплуатации и остановки генератора постоянного тока;

    экспериментально подтвердить теоретические сведения о характеристиках генератора постоянного тока.

Основные теоретические положения

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

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

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

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

Устройство электрической машины постоянного тока

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

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

Якорь состоит из цилиндрического пакета (набранного из лакированных листов электротехнической стали для ослабления вихревых токов). В пазы сердечника якоря укладывается обмотка, соединенная с коллектором 7; все это закрепляется на валу якоря.

Принцип действия

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


Принцип работы электрической машины основан на явлении электромагнитной индукции. Рассмотрим принцип работы электрической машины в режиме генератора. Пусть виток приводится во вращение от внешнего приводного двигателя (ПД). Виток пересекает магнитное поле, и в нем по закону электромагнитной индукции наводится переменная ЭДС, направление которой определяется по правилу правой руки. Если внешняя цепь замкнута, то по ней потечет ток, направленный от нижней щетки к потребителю и от него - к верхней щетке. Нижняя щетка оказывается положительным выводом генератора, а верхняя щетка - отрицательным. При повороте витка на 180 0 проводники из зоны одного полюса переходят в зону другого полюса и направление ЭДС в них изменится на обратное. Одновременно верхняя коллекторная пластина входит в контакт с нижней щеткой, а нижняя пластина-с верхней щеткой, направление тока во внешней цепи не изменяется. Таким образом, коллекторные пластины не только обеспечивают соединение вращающего витка с внешней цепью, но и выполняют роль переключающегося устройства, т.е. являются простейшим механическим выпрямителем.

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

Для этой постоянной ЭДС справедливо выражение

Е =с 1 Фn ,

где с 1 -коэффициент, зависящий от конструктивных элементов якоря и числа полюсов электрической машины;Ф - магнитный поток;n - частота вращения якоря.

При работе машины в режиме генератора по замкнутой внешней цепи и витку обмотки якоря протекает ток i = I я, направление которого совпадает с направлением ЭДС (см. рис. 2,б ). По закону Ампера взаимодействие тока i и магнитного поляВ создает силуf , которая направлена перпендикулярноВ иi . Направление силыf определяется правилом левой руки: на верхний проводник сила действует влево, на нижний-вправо. Эта пара сил создает вращающий моментМ вр , направленный в данном случае против часовой стрелки и равный

М =с 2 Ф I я.

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

Ток якоря I я вызывает в якорной обмотке с сопротивлениемR я падение напряженияR я I я , так что при нагрузке напряжениеU на выводах щеток получается меньше, чемЭДС , а именно

U = E R я I я.



top