Что такое якорь в генераторе постоянного тока
Перейти к содержимому

Что такое якорь в генераторе постоянного тока

  • автор:

Работа якоря и коллектора в генераторе постоянного тока

Генератор постоянного тока

Динамо схожи с устройствами, производящими переменный ток, в том, что для преобразования механической энергии в электрическую требуются те же компоненты: статор (неподвижная часть) и якорь генератора (вращающийся элемент). Эти же конструктивные элементы применимы также и для создания двигателя постоянного тока. Поэтому из-за полной обратимости без каких-либо изменений такие генераторы называют машинами постоянного тока.

История и эволюция

Динамо были первыми электрическими машинами, способными производить энергию для промышленности, а также тем фундаментом, на базе которого были сконструированы многие другие роторные устройства преобразования механической и электрической мощности, в том числе и электродвигатель. Теория работы электромагнитных генераторов была создана Майклом Фарадеем в 1832 году.

Первый электрический генератор

Он же и построил первое устройство, известное как диск Фарадея. Этот прибор создавал невысокое напряжение постоянного тока, для производства которого использовалось вращение медного диска между полюсами подковообразного магнита. Униполярный генератор, созданный Фарадеем в демонстрационных целях, был совершенно непригоден для практического применения, так как обладал двумя серьёзными недостатками:

  1. Индуцированный непосредственно в зоне действия магнита ток самозамыкался на остальных участках диска, в связи с чем сгенерированное электричество в основном совершало работу по нагреву вращающегося медного полотна.
  2. Напряжение, создаваемое устройством, было крайне низким из-за единичности проводника, проходящего через магнитный поток.

Решить эти проблемы можно было с помощью увеличения количества магнитов по периметру и использования вместо диска катушек с обмотками. Подобная схема стала характерной для всех последующих конструкций динамо-машин. Из дальнейшей истории развития генераторов можно выделить такие даты:

История возникновения генератора

  • 1832 г. — французский производитель инструмента Пикси построил первое динамо на основе принципов Фарадея;
  • 1860 г. — итальянский профессор физики Пачинотти создал генератор практически современного типа;
  • 1866−1867 гг. — независимо друг от друга Уитсон, Сименс и Варли получили патенты на динамо-машины с самовозбуждением;
  • 1871 г. — бельгиец Грамм на основе конструкции Пачинотти создал первый коммерческий генератор для промышленности.

Простейшая электрическая машина

Согласно закону электромагнитной индукции Фарадея, изменение магнитного потока на витке провода будет производить магнитную силу, заставляющую двигаться электроны в проводнике. Таким образом в катушке создаётся электрический ток. Это явление называется электромагнитной индукцией, оно служит фундаментом устройства электрических машин. Кратко принципы действия генератора постоянного тока выглядят так:

  1. Магнитная сила, приложенная к электронам, создаёт электродвижущую силу, что приводит в движение электроны в цепи.
  2. Сила и направление этой ЭДС определяется силой и направлением магнитного поля, а также скоростью подвижной части, которой может быть как проводник, так и магнит.

По сути, все электрические генераторы работают по одному и тому же принципу, независимо от того, производят они переменный или постоянный ток. В обмотках якоря динамо-машин, на самом деле, индуцируется переменный ток, который с помощью коллектора и щёточного узла преобразуется в постоянный.

Простейшая электрическая машина

Работу этого класса устройств удобно рассматривать на примере простейшего генератора, дополнительно оборудованного коммутатором для выпрямления тока. Хорошей иллюстративной моделью для понимания процессов, происходящих в динамо, может быть вращающийся виток проводника прямоугольной формы, помещённый между двумя противоположными полюсами магнита.

При полном обороте такой рамы в ней будет индуцироваться электрический ток, циркулирующий через петлю. Направление его можно определить с помощью правила правой руки Флеминга, гласящего о том, что, если расположить руку так, чтобы в ладонь входил магнитный поток, а отогнутый большой палец направить в сторону движения проводника, то указательный обозначит направление тока. В этом случае для понимания процессов в простейшем генераторе удобно будет выделить четыре положения петли относительно магнита:

  • 0° — виток движется параллельно направлению магнитного тока, поэтому никакой разницы потенциалов не индуцируется;
  • 90° — разность потенциалов максимальна;
  • 180° — виток снова находится параллельно магнитному полю;
  • 270° — индуцируется максимальная ЭДС, но в обратном направлении;
  • 360° — возвращение в исходную точку.

Форму переменного выходного электрического сигнала можно рассматривать как синусоиду. С помощью коллектора соединение щёток с витком меняется на противоположное каждые полцикла. Благодаря этому ток во внешней цепи генератора движется в одном направлении.

Обмотки возбуждения

Устройство генератора постоянного тока имеет потенциал применения только в небольших электрических машинах. Прежде всего потому, что для устройств малой мощности допустимо применение постоянных магнитов. В остальных случаях магнитный поток достаточной силы способны создать только соленоиды — катушки с сердечником — или обмотки возбуждения. По типу их питания генераторы можно разделить на следующие классы:

Устройство электрогенератора

  • с независимым возбуждением;
  • с самовозбуждением.

Для работы первых необходим вспомогательный источник тока. Это главный недостаток такого типа машин, поэтому их применение ограничено. В генераторах с независимым возбуждением обмотки запитываются от якоря. Электрические машины, устроенные по такой схеме, делятся в свою очередь на три вида:

  • шунтовые (с параллельным возбуждением);
  • сериесные (с последовательным);
  • компаунд-генераторы (с параллельными и последовательными катушками возбуждения).

Современные динамо-машины

Одной из особенностей коллекторных генераторов является ограничение их применения по напряжению. Это связано с необходимостью избегать искрения между щётками и коллектором. Поэтому в некоторых машинах обращение переменного тока в постоянный осуществляется с помощью электронных устройств, например, диодных выпрямителей.

В отличие от простейшей конструкции, в современных генераторах используют барабанные якоря, которые, как правило, состоят из большого числа витков, размещённых в продольных прорезях сердечника и соединённых с соответствующими сегментами кратного коммутатора.

Современные динамо-машины

Коллектор из множества сегментов, используемый с барабанным якорем, всегда соединяет внешнюю цепь только с витками провода, движущимися через зону максимальной интенсивности магнитного поля. В результате такой работы ток, генерируемый в обмотках якоря, практически близок к постоянному. Подобные генераторы, как правило, оснащены четырьмя или более электромагнитными полюсами для того, чтобы увеличить размеры и силу магнитного поля.

Большие динамо-машины нашли своё применение в современном мире как компоненты ветряков или гидротурбин, в качестве обращаемой машины на электротранспорте и в тех сферах промышленности, где технологически их использование безальтернативно. Их сравнительно сложное устройство, а также пригодность переменного тока к транспортировке привели к тому, что генераторы постоянного тока с момента изобретения были вытеснены более экономичными асинхронными устройствами.

Генераторы постоянного тока.Якорь машины.Обмотка якоря

Станина выполняется из литой стали, сердечники главных полюсов собираются из отдельных стальных листов толщиной 1-2 мм, сердечники дополнительных полюсов выполняются стальными массивными. Крепле­ние главных и дополнительных полюсов к станине осуществляется болта­ми. На главных полюсах размещаются, как правило, две обмотки возбуж­дения: основная 3, подключаемая или к сети, или параллельно обмотке якоря, и дополнительная 2, включаемая последовательно в цепь якоря че­рез щетки.

Также последовательно в цепь якоря машины подключается и обмотка 15 дополнительных полюсов. Назначение обмоток возбуждения главных полюсов, как это следует из их названия, — создание основного магнитного потока машины. Обмотки дополнительных полюсов служат для улучше­ния условий работы коллектора или, как говорят, для улучшения коммута­ции.

Якорь состоит

из магнитопровода, называемого сердечником 6 яко­ря, обмотки 5 якоря, уложенной в пазы сердечника, коллектора 7, к кото­рому подключаются выводы обмотки якоря и вала 19, объединяющего на­званные выше элементы.

Магнитопровод набирается из лакированных листов электротехниче­ской стали толщиной 0,5 мм и впрессовывается непосредственно на вал или при больших диаметрах якоря машины — на цилиндрическую втулку. Коллек­тор состоит из ряда изолированных друг от друга медных коллекторных пластин. Он собирается отдельно и затем в сборе впрессовывается на вал через изолирующую втулку. Обмотка якоря выполняется в виде отдельных секций, концы которых впаиваются в специальные выступы (петушки) коллекторных пластин. При помощи коллектора секции обмотки якоря соединя­ются между собой последовательно, образуя замкнутую цепь. Различают петлевые обмотки якоря, при которых выводы секций присоединяют к со­седним коллекторным пластинам, а секции между собой соединяют на коллекторе (рис.), и волновые, у которых соединение выводов секций с коллектором и соединение секций между собой осуществляется как бы волнообразно (рис. 2.2, б). Число коллекторных пластин равно числу сек­ций обмотки.

Вращение якоря

Вращение якоря машины в воздушном пространстве между полюсами обес­печивается подшипниковыми щитами 9 и 17 при помощи насаженных на вал подшипников 14. Подшипниковый щит 9, установленный со стороны коллектора, называют передним. Между задним подшипниковым щитом 17 и сердечником на валу якоря машины устанавливается крылатка вентилятора 18, обеспечивающая охлаждение генератора. Для входа и выхода охлаждаю­щего воздуха в подшипниковых щитах предусмотрены отверстия, которые закрываются защитными кожухами с сеткой. Отверстия в переднем под­шипниковом щите служат также для осмотра и обслуживания коллектора и щеточного узла.

Соединение якоря с сетью постоянного тока и обмотками полюсов осуществляется с помощью щеток 12, установленных в щеткодержателях 13, которые, в свою очередь, крепятся на специальных пальцах. Пальцы скрепляются на траверсе 11, которая крепится к переднему подшипнико­вому щиту или к станине. В щеткодержателях предусматривается возможность регулировать давление щетки на коллектор при помощи пружин. Общее количество щеточных пальцев равно числу полюсов, причем поло­вина из них имеет положительную полярность, другая — отрицательную. Щеточные группы одной полярности соединяются между собой сборными нишами. Щеточный узел делит обмотку якоря на несколько параллельных ветвей, число которых зависит от типа обмотки и обычно обозначается 2а.

Соединение машины с внешней цепью осуществляется через короб­ку выводов 10, в которой располагается клеммная плата с обозначениями выводом всех обмоток. Для подъема и перемещения машины в верхней части станины устанавливается рым-болт 8. На корпусе станины крепится также табличка завода-изготовителя, на которой указываются обмоточные данные и основные параметры машины.

Серьезным недостатком машин постоянного тока является их отно­сительно высокая сложность и недостаточная надежность щеточно-коллекторного узла, требующего постоянного обслуживания.

Режимы работы генератора

Одна и та же машина постоянного тока может работать как в режиме генератора, так и в режиме двигателя, то есть обладает свойством обрати­мости. В генераторном режиме энергия, подводимая к машине с вала от приводного двигателя, преобразуется в электрическую, а в двигательном режиме осуществляется обратное преобразование электрической энергии, подводимой от сети постоянного тока, в механическую энергию, переда­ваемую исполнительному механизму.

Использование генератора постоянного тока

Генераторы постоянного тока используются на практике в качестве резервных источников энергии для зарядки аккумуляторных батарей, вхо­дят в состав электромашинных обратимых преобразователей для связи систем переменного и постоянного токов и т.д

С точки зрения эксплуатации первостепенное значение имеет выбор мирки щеток. Наиболее предпочтительными являются электрографитные щетки марок ЭГ4, ЭГ8, ЭГ14, ЭГ61, ЭГ74, которые применяют для машин щ средними и затрудненными условиями коммутации.

Такие причины, как биение коллектора, плохая обработка его по­верхности, выступание миканита, вибрации щеток и щеткодержателей, особенно отрицательно сказываются на коммутации быстроходных ма­шин

Значительное влияние на коммутацию оказывают и условия эксплуа­тации — загрязнение коллектора, влажность воздуха, атмосферное давле­ние, наличие в окружающем воздухе химических веществ. Следует иметь в виду, что коммутация заметно ухудшается при снижении атмосферного давления.

При правильном выборе марки щеток и правильной эксплуатации на коллекторе в результате электролиза образуется политура, состоящая из пленки окислов меди. Наличие такой политуры является свидетельством нормальной коммутации машины.

Мероприятия по устранению причин искрения механического харак­тера требуют неукоснительного выполнения. К ним прежде всего относят­ся поддержание коллектора, щеток и всей машины в исправном состоянии, строгое соблюдение требований инструкции по эксплуатации, своевремен­ное проведение регламентных работ.

Для устранения причин искрения электромагнитной природы в про­цессе изготовления и настройки машины предусматривают следующие ме­роприятия:
  • устанавливают дополнительные полюсы, магнитное поле которых компенсирует реактивную ЭДС (ЭДС самоиндукции и взаимоиндукции) в коммутируемых секциях;
  • в полюсных наконечниках главных полюсов крупных машин уста­навливают компенсирующие обмотки, которые включают последовательно с обмоткой якоря, но так, что они компенсируют поле реакции якоря;
  • смещают щетки с линии геометрической нейтрали таким образом, чтобы коммутируемая секция оказалась на линии физической нейтрали;
  • применяют специальные твердые углеграфитовые щетки с повы­шенным сопротивлением.

Нормальным при работе машины постоянного тока считается слабое точечное искрение под небольшой частью щетки (1 ‘/ 4 балла). Искрение под всем краем щетки (2 балла) допускается только при переходных режи­мах и кратковременных перегрузках. Сильное искрение (3 балла) ни при каких условиях не допускается. При возникновении такого искрения ма­шина должна быть немедленно отключена от сети и подвергнута осмотру и при необходимости — ремонту.

Коммутация сопровождается еще одним неблагоприятным с точки зрения эксплуатации процессом — созданием электромагнитных колебаний высокой частоты (1-3 кГц), что создает значительные радиопомехи. Для устранения радиопомех, особенно при плохой коммутации, в цепь якоря включаются индуктивно-емкостные фильтры, при этом используются соб­ственные индуктивности обмоток машины, а конденсаторы размещают в коробке выводов и подключают с одной стороны к выводам обмотки до­полнительных полюсов, с другой — к корпусу.

§ 168. Генераторы постоянного тока.

Мы уже указывали (§ 166), что хотя в технике применяется преимущественно переменный ток, однако во многих случаях бывает необходим и ток постоянный. Такой ток можно получить, либо преобразуя переменный ток, получаемый от общих сетей, в постоянный с помощью рассмотренных в § 166 выпрямительных устройств, либо используя специальные генераторы постоянного тока. Применение последних оказывается часто более выгодным и удобным.

Генераторы постоянного тока представляют собой обычные индукционные генераторы, снабженные особым приспособлением – так называемым коллектором, – дающим возможность превратить переменное напряжение на зажимах (щетках) машины в постоянное.

Принцип устройства коллектора ясен из рис. 329, на котором изображена схема простейшей модели генератора постоянного тока с коллектором. Эта модель отличается от рассмотренной выше модели генератора переменного тока (рис. 288) лишь тем, что здесь концы якоря (обмотки) соединены не с отдельными кольцами, а с двумя полукольцами 1, разделенными изолирующим материалом и надетыми на общий цилиндр, который вращается на одной оси с рамкой 2. К вращающимся полукольцам прижимаются пружинящие контакты (щетки) 3, с помощью которых индукционный ток отводится во внешнюю сеть. При каждом полуобороте рамки концы ее, припаянные к полукольцам, переходят с одной щетки на другую. Но направление индукционного тока в рамке, как было разъяснено в § 151, тоже меняется при каждом полуобороте рамки. Поэтому, если переключения в коллекторе происходят в те же моменты времени, когда меняется направление тока в рамке, то одна из щеток всегда будет являться положительным полюсом генератора, а другая – отрицательным, т. е. во внешней цепи будет идти ток, не меняющий своего направления. Можно сказать, что с помощью коллектора мы производим выпрямление переменного тока, индуцируемого в якоре машины.

График напряжения на зажимах такого генератора, якорь которого имеет одну рамку, а коллектор состоит из двух полуколец, изображен на рис. 330. Как видим, в этом случае напряжение на зажимах генератора, хотя и является прямым, т. е. не меняет своего направления, но все время меняется от нуля до максимального значения. Такое напряжение и соответствующий ему ток часто называют прямым пульсирующим током. Нетрудно сообразить, что напряжение или ток проходят весь цикл своих изменений за время одного полупериода переменной э. д. с. в обмотках генератора. Иначе говоря, частота пульсаций вдвое больше частоты переменного тока.

415.jpg

Рис. 329. Схема генератора постоянного тока: 1 – полукольца коллектора, 2 – вращающийся якорь (рамка), 3 – щетки для съема индукционного тока

416.jpg

Рис. 330. Зависимость напряжения на зажимах генератора постоянного тока от времени

Чтобы сгладить эти пульсации и сделать напряжение не только прямым, но и постоянным, якорь генератора составляют из большого числа отдельных катушек, или секций, сдвинутых на определенный угол друг относительно друга, а коллектор составляют не из двух полуколец, а из соответствующего числа пластин, лежащих на поверхности цилиндра, вращающегося на общем валу с якорем. Концы каждой секции якоря припаиваются к соответствующей паре пластин, разделенных изолирующим материалом. Такой якорь называют якорем барабанного типа (рис. 331).

417-1.jpg

Рис. 331. Якорь барабанного типа генератора постоянного тока: 1 – барабан, на котором расположены витки четырех обмоток, 2 – коллектор, состоящий из двух пар пластин

На рис. 332 показан генератор постоянного тока в разобранном виде, а на рис. 333 – схема устройства такого генератора с четырьмя секциями якоря и двумя парами пластин на коллекторе. Общий вид генератора постоянного тока марки ПН показан на рис. 334. Генераторы этого типа изготовляются на мощности от 0,37 до 130 кВт и на напряжения 115, 115/160, 230/320 и 460 В при частоте вращения ротора от 970 до 2860 оборотов в минуту.

417-2.jpg

Рис. 332. Генератор постоянного тока в разобранном виде: 1 – станина, 2 – якорь, 3 – подшипниковые щиты, 4 – щетки с щеткодержателями, укрепленные на траверзе, 5 – сердечник полюса

418-1.jpg

Рис. 333. Схема генератора постоянного тока с четырьмя секциями якоря и четырьмя пластинами на коллекторе

418-2.jpg

Рис. 334. Внешний вид генератора постоянного тока

Из рис. 332 и 333 мы видим, что, в отличие от генераторов переменного тока, в генераторах постоянного тока вращающаяся часть машины – ее ротор – представляет собой якорь машины (барабанного типа), а индуктор помещен в неподвижной части машины – ее статоре. Статор (станина генератора) выполняется из литой стали или чугуна, и на внутренней его поверхности укрепляются выступы, на которые надеваются обмотки, создающие в машине магнитное поле (рис. 335, а). На рис. 333 показана только одна пара полюсов и ; на практике обычно в статоре размещают несколько пар таких полюсов. Все их обмотки соединяют последовательно, и концы выводят на зажимы и , через которые в них подается ток, создающий в машине магнитное поле.

419.jpg

Рис. 335. Детали генератора постоянного тока: а) полюсный сердечник с обмоткой возбуждения; б) стальной лист якоря с отверстием в центре

Так как выпрямление происходит лишь на коллекторе машины, а в каждой секции индуцируется переменный ток, то во избежание сильного нагревания токами Фуко сердечник якоря делают не сплошным, а набирают из отдельных стальных листов, на краю которых выштамповываются выемки для активных проводников якоря, а в центре – отверстие для вала со шпонкой (рис. 335, б). Эти листы изолируются друг от друга бумагой или лаком.

168.1. Почему статор генератора переменного тока собирается из отдельных стальных листов, а статор генератора постоянного тока представляет собой массивную стальную или чугунную отливку?

Схему соединения отдельных секций обмотки якоря с пластинами коллектора можно уяснить себе из рис. 333. Здесь круг с вырезами изображает задний торец железного сердечника, в пазах которого уложены длинные провода отдельных секций, параллельные оси цилиндра. Провода эти, обычно называемые в электротехнике активными, перенумерованы на рисунке цифрами 1-8. На задней торцевой стороне якоря эти провода соединены попарно так называемыми соединительными проводами, которые на рисунке изображены штриховыми линиями и отмечены буквами . Как видим, каждые два активных провода и один соединительный образуют отдельную рамку – секцию якоря, свободные концы которой припаяны к паре пластин коллектора.

Первую секцию составляют активные провода 1 и 4 и соединительный провод ; концы ее припаяны к коллекторным пластинам I и II. К той же пластине II припаян свободный конец активного провода 3, который вместе с активным проводом 6 и соединительным проводом образует вторую секцию; свободный конец этой секции припаян к коллекторной пластине III, и к той же пластине припаян конец третьей секции, состоящей из активных проводов 5 и 8 и соединительного провода . Другой свободный конец третьей секции припаян к коллекторной пластине IV. Наконец, четвертую секцию составляют активные провода 7 и 2 и соединительный провод . Концы этой секции припаяны соответственно к коллекторным пластинам IV и I.

Мы видим, таким образом, что все секции якоря барабанного типа соединены друг с другом так, что они образуют одну замкнутую цепь. Такой якорь называют поэтому короткозамкнутым.

Пластины коллектора I-IV и щетки и показаны на рис. 333 в той же плоскости, но на самом деле они, так же как и провода, соединяющие их с концами секций и изображенные на рисунке сплошными линиями, находятся на противоположной стороне цилиндра.

Разберем подробнее эту схему, чтобы выявить основные принципиальные особенности конструкции и работы якоря барабанного типа.

Щетки и прижимаются к паре противоположных пластин коллектора. На рис. 336, а изображен момент, когда щетка касается пластины I, а щетка – пластины III. Нетрудно видеть, что, выйдя, например, из щетки , мы можем прийти к щетке по двум параллельно

включенным между ними ветвям: либо через секции 1 и 2, либо через секции 4 и 3, как это схематически показано на рис. 336, а. Через четверть оборота щетки будут касаться пластин II и IV, но опять между ними окажутся две параллельные ветви с секциями 4 и 1 в одной ветви и 2 и 3 – в другой (рис. 336, б). То же будет иметь место и в другие моменты вращения якоря.

420.jpg

Рис. 336. Схема присоединения секций якоря к щеткам в два момента времени, отстоящие на четверть периода: а) одна ветвь содержит секции 1 и 2, а другая – секции 3 и 4; б) первая ветвь содержит секции 4 и 1, а вторая – секции 2 и 3. Во внешней цепи (нагрузке) ток всегда

Таким образом, короткозамкнутая цепь якоря в любой момент времени распадается между щетками на две параллельные ветви, в каждую из которых последовательно включена половина секций якоря.

При вращении якоря в поле индуктора в каждой секции индуцируется переменная э. д. с. Направления токов, индуцируемых в некоторый момент времени в различных секциях, отмечены на рис. 336 стрелками. Через половину периода все направления индуцированных э. д.с. и токов изменятся на обратные, но так как в момент изменения их знака щетки меняются местами, то во внешней цепи ток будет всегда иметь одно и то же направление; щетка всегда является положительным, а щетка – отрицательным полюсом генератора. Таким образом, коллектор выпрямляет переменную э. д. с., возникающую в отдельных секциях якоря.

Из рис. 336 мы видим, что э. д. с., действующие в обеих ветвях, на которые распадается цепь якоря, направлены «навстречу» друг другу. Поэтому, если бы во внешней цепи не было тока, т. е. к зажимам генератора не была бы присоединена никакая нагрузка, то общая э. д. с., действующая в короткозамкнутой цепи якоря, была бы равна нулю, т. е. тока в этой цепи не было бы. Положение было бы таким же, как при включении «навстречу» друг другу двух гальванических элементов без внешней нагрузки (рис. 337, а). Если же мы присоединим к этим двум элементам нагрузку (рис. 337, б), то по отношению к внешней сети оба элемента окажутся включенными параллельно, т. е. напряжение на зажимах сети ( и ) будет равно напряжению каждого элемента. То же, очевидно, будет иметь место и в нашем генераторе, если к его зажимам ( и на рис. 333) мы присоединим какую-нибудь нагрузку (лампы, двигатели и т. п.): напряжение на зажимах генератора будет равно напряжению, создаваемому в каждой из двух параллельных ветвей, на которые распадается якорь генератора.

421.jpg

Рис. 337. а) В цепи, составленной из двух включенных «навстречу» элементов, при отсутствии нагрузки тока нет. б) При наличии нагрузки элементы соединены по отношению к ней параллельно. Ток нагрузки разветвляется и половина его проходит через каждую ветвь

Э. д. с., индуцированные в каждой из этих ветвей, складываются из э. д. с. каждой из последовательно соединенных секций, входящих в эту ветвь. Поэтому мгновенное значение результирующей э. д. с. будет равно сумме мгновенных значений отдельных э. д. с. Но при определении формы результирующего напряжения на зажимах генератора нужно учитывать два обстоятельства: а) благодаря наличию коллектора каждое из складываемых напряжений выпрямляется, т. е. имеет форму, изображаемую кривыми 1 или 2 на рис. 338; б) напряжения эти сдвинуты по фазе на четверть периода, так как секции, входящие в каждую ветвь, смещены друг относительно друга на . Кривая 3 на рис. 338, полученная путем сложения соответственных ординат кривых 1 и 2, изображает форму напряжения на зажимах генератора. Как видим, пульсации на этой кривой имеют удвоенную частоту и значительно меньше, чем пульсации в каждой секции. Напряжение и ток в цепи уже не только прямые (не меняющие направления), но и почти постоянные.

422.jpg

Рис. 338. Изменение со временем напряжения: 1 и 2 – в двух секциях обмотки, соединенных с одной и той же парой пластин коллектора, 3 – на зажимах генератора. Штриховые прямые – средние значения соответствующих напряжений

Чтобы еще более сгладить пульсации и сделать ток практически совершенно постоянным, на практике помещают на якоре машины не 4 отдельные секции, а значительно большее число их: 8, 16, 24,… Такое же число раздельных пластин имеется на коллекторе. Схемы соединения при этом, конечно, значительно усложняются, но принципиально такой якорь ничем не отличается от описанного. Все секции его образуют одну короткозамкнутую цепь, распадающуюся по отношению к щеткам машины на две параллельные ветви, в каждой из которых действуют последовательно соединенные и смещенные по фазе друг относительно друга э. д. с. половинного числа секций. При сложении этих э. д. с. получается почти постоянная э. д. с. с очень малыми пульсациями.

Генератор постоянного тока: принцип работы, популярные модели

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.

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.

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.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *